Problemas De Refrigeração

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E PRODUÇÃO CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES Prof. M.Sc. Valdirson P. Mendes CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 1. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE GÁS 1.1) - Para o ciclo padrão de refrigeração a ar, como mostra a figura, admitir que tanto a compressão como a expansão sejam processos isentrópicos. Determinar: a) coeficiente de efeito frigorífico b) rendimento do ciclo c) volume deslocado por TR d) efeito frigorífico volumétrico. 1,5 kgf/cm 2 40ºC 7,5 kgf/cm 2 qC compressor expansor - 25ºC qE 1.2) - Um trocador de calor é incorporado ao ciclo padrão a ar do problema anterior, como mostra a figura. Admitir que tanto a compressão como a expansão fosse processos isentrópicos. Determinar: a) coeficiente de efeito frigorífico b) rendimento do ciclo c) volume deslocado por TR d) efeito frigorífico volumétrico. 1,5 kgf/cm 2 30ºC 40ºC 7,5 kgf/cm 2 qC compressor expansor - 25ºC qE DEMECP 2 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 1.3) - Repetir o problema anterior admitindo um rendimento adiabático, para o compressor e para o expansor, de 80%. 2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 2.1) - Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal opera em regime permanente usando R - 134a como fluido de trabalho. O vapor saturado entra no compressor a -10°C e o líquido saturado deixa o condensador a 28°C. A vazão mássica é 5 kg/min. Determine: a) a potência do compressor, em kW. b) a capacidade frigorífica, em TR. c) o coeficiente de desempenho. 2.2) - Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal opera em regime permanente usando R - 134a como fluido de trabalho. O vapor saturado entra no compressor a 1,6 bar e o líquido saturado deixa o condensador a 9 bar. A vazão mássica é 5 kg/min. Determine: a) a potência do compressor, em kW. b) a capacidade frigorífica, em TR. c) o coeficiente de desempenho. 2.3) - Modifique o ciclo do problema anterior, para que o compressor possua uma eficiência isentrópica de 80%, e considere que a temperatura do líquido na saída do condensador é de 32ºC. Para esse ciclo modificado, determine: a) a potência de acionamento do compressor, em kW. b) a capacidade frigorífica, em TR. c) o coeficiente de desempenho. 2.4) - No projeto de um refrigerador, o ciclo proposto prevê a utilização de refrigerante R12, que é admitido no compressor como vapor superaquecido a 0,18 MPa e -10ºC, sendo descarregado a 0,7 MPa e 50ºC. O refrigerante é então resfriado no condensador até 24ºC e 0,65 MPa, sendo posteriormente expandido até 0,15 MPa. A carga térmica de projeto do refrigerador é de 6,0 kW. Despreze a perda de carga e a transferência de calor nas linhas de conexão entre os elementos do refrigerador. a) Esboce em um diagrama Temperatura-Entropia o ciclo proposto, indicando sua posição relativa à curva de saturação, com base no esquema apresentado na figura abaixo. b) Calcule a vazão mássica, em kg/s, de refrigerante necessária para atender à carga térmica de projeto. c) Calcule a potência requerida pelo compressor, em kW, e analise a necessidade de se utilizar o superaquecimento do refrigerante admitido no compressor. d) Estuda-se o uso do refrigerante R-134 como forma de adequar o equipamento à legislação ambiental de outros países e possibilitar a sua exportação. Explique os efeitos ambientais de refrigerantes halogenados, como o R-12. DEMECP 3 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES QC 2 3 CONDENSADOR 2 3 4 DISPOSITIVO DE EXPANSÃO Pm 1 COMPRESSOR 1 4 EVAPORADOR QE 2.5) - No projeto de um refrigerador, o ciclo proposto prevê a utilização de refrigerante R12, que é admitido no compressor como vapor superaquecido a 1,6 bar e 4ºC, sendo descarregado a 12 bar e 115ºC. O refrigerante entra no condensador com 11,8 bar e 105ºC onde é então resfriado no condensador até 38ºC e 11,6 bar, sendo posteriormente expandido até 2 bar. Em seguida o refrigerante deixa o evaporador a -7ºC e 1,8 bar. A potência do compressor é 2,5 HP. A capacidade do compressor é 100 kg/h. As transferências de calor nas linhas de conexão entre os elementos do condicionador são desprezadas. a) Esboce em um diagrama Ph o ciclo proposto, indicando sua posição relativa à curva de saturação, com base no esquema apresentado na figura abaixo. b) Calor transferido pelo compressor, em W. c) Calor transferido pelo R-12 no condensador, em kW. d) Capacidade de refrigeração, em BTU/h. e) Eficiência de compressão. f) Coeficiente de performance. QC 2’ 3 CONDENSADOR 2 3 4 DISPOSITIVO DE EXPANSÃO Pm 1’ COMPRESSOR 1 4 EVAPORADOR QE DEMECP 4 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 2.6) - Um sistema de refrigeração por compressão a vapor com uma capacidade frigorífica de 10 TR admite, na entrada do compressor, o R - 134a na forma de vapor superaquecido a 15°C, 4 bar, enquanto na saída têm-se 12 bar. O processo de compressão pode ser modelado por pv 1 , 01 := constante Na saída do condensador a pressão é 11,6 bar e a temperatura é 44°C. O condensador é resfriado a água, que entra 20°C e sai a 30°C. A transferência de calor no exterior do condensador pode ser desprezada. Determine a) a vazão mássica do refrigerante, em kg/s. b) a potência de acionamento e a transferência de calor no compressor, ambas em W. c) coeficiente de desempenho. d) a vazão mássica da água de resfriamento, em kg/s. 2.7) - Para uma instalação que utiliza R - 717 como fluido refrigerante e que tem uma capacidade de refrigeração de 30.000 Btu/h, prevê um ciclo conforme esquema mostrado abaixo. Considerar o superaquecimento útil e o rendimento adiabático de 80%. Determinar: a) efeito frigorífico b) potência mecânica c) calor total rejeitado 1 1’ 2’ C 1 2’ Condensador Evaporador 4’ 3’ 3 4’ g 3’ 1-g 2.8) Uma instalação frigorífica, conforme figura, que utiliza R – 717 como fluido refrigerante, supondo compressão isentrópica e título igual a 1 na admissão do compressor, apresenta as seguintes características: • Carga térmica QT := 12000 kcal • Temperatura da câmara tcamara := 0C • Temperatura da água entrando no condensador teágua := 28C • Variação de temperatura entre câmara e evaporador: ∆t ce := 5C • Variação de temperatura entre o R -717 condensando e da água saindo do condensador • DEMECP Vazão por TR utilizada para a condensação 3 gpm (galões por minuto) h ∆t ca := 7C V1 := 3gpm gpm 5 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES CÂMARA DEMECP 6 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES Determinar : a) Temperatura de descarga b) Coeficiente de performance c) Calor rejeitado no condensador d) Relação entre calor no condensador e carga térmica da câmara e) Trabalho gasto no compressor (compressão teórica) f) Mudando-se a bomba de água de condensação, a vazão passa a ser de 5 gpm por TR, nesse caso qual o novo valor do COP e a nova potência absorvida pelo compressor? g) Sem as considerações do ítem e, para se obter na câmara a temperatura de -20C, com a mesma carga térmica, quais os novos valores do COP e da potência do compressor? 3. REFRIGERAÇÃO COM MÚLTIPLAS COMPRESSÃO 3.1) Para a instalação frigorífica abaixo que utiliza R - 717 como fluido refrigerante , com uma potência frigorífica de 350 kW, com temperatura de condensação de 35C e temperatura de evaporação de - 30C , com subresfriamento intermediário de 5C. Calcular: a) efeito frigorífico b) efeito calorífico c) efeitos mecânicos d) potências mecânicas 1 CB 1-g 1' 2' 2 CA 4" 4' 3' g SL1 SL 1-g 2 3 = 3' 3.2) Para a instalação frigorífica abaixo que utiliza R -717 como fluido refrigerante, com as temperatura e as potências frigoríficas fornecidas, calcular: a) efeitos frigoríficos b) efeito calorífico c) efeitos mecânicos d) coeficiente de performance e) potências mecânicas Dados :Tc = 35ºC, Ti = -15ºC, Te = -30ºC DEMECP 7 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 1 CB 1 - g- g2 2' 1' 2 CA TC 4' 4" 3' Ti TE g2 SL 1 SL 2 1 - g - g2 1-g 3 = 3' 4. COMPRESSORES 4.1) Dados de catálogo para um compressor de seis cilindros, operando com R-22 a 29 rps, indicam uma capacidade de refrigeração de 96,4 kW e potencia de 28,9 kW para uma Te = 5ºC e uma Tc = 50ºC. O desempenho é baseado em 3ºC de subresfriamento do líquido e 8ºC de superaquecimento do gás de aspiração no compressor. O diâmetro do cilindro é de 67 mm e o percurso é de 57 mm. Calcule: a) A eficiência volumétrica de espaço nocivo se a fração é 4,8%. b) A eficiência efetiva. c) A eficiência de compressão. 4.2) Calcule a velocidade periférica do rotor para comprimir vapores dos seguintes refrigerantes desde a condição de vapor saturado a 10ºC até a pressão correspondente a uma Tc = 30ºC: (a) R-11 e (b) R-717. 4.3) Um compressor de amônia com 5% de fração de espaço nocivo e uma taxa de deslocamento de 80 L/s, opera a uma Tc = 40ºC. Admitindo a eficiência volumétrica de espaço nocivo, determine a vazão de refrigerante para as Te de -10ºC e 10ºC. 4.4) Um catálogo mostra uma capacidade de refrigeração de 115 kW para um compressor hermético de quatro cilindros, rotação de 29 rps e operando com R - 22 às temperaturas de evaporação e condensação de -4ºCe 40ºC. Nesse ponto de operação, o motor, cuja eficiência é de 90%, exige 34,5 kW. O diâmetro do cilindro é de 87 mm e o deslocamento do êmbolo é de 70 mm entre pontos mortos. Os dados de desempenho são baseados em 8ºC de subresfriamento do líquido que deixa o condensador. Determine a) a eficiência volumétrica efetiva e b) a eficiência de compressão. DEMECP 8 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 4.5) Um compressor com taxa de deslocamento de 60 L/s opera em um sistema de refrigeração que mantém a Tc constante de 30ºC, com R-22. Calcule e faça um gráfico da potência para as Te de -20, -10, 0, 10 e 20ºC. Use as eficiências volumétricas efetivas da Figura abaixo e os seguintes trabalhos de compressão isentrópica para as cinco Te 39,9; 30,2; 21,5; 13,7 e 6,5 kJ/kg, respectivamente. 4.6) Um condicionador de ar de automóvel, trabalhando com R-12, apresenta um condicionador total de ar do condensador, de modo que a pressão de condensação se eleva até que a eficiência volumétrica caia até zero. Extrapole a curva de eficiência volumétrica da fig. do exercício anterior até zero e estime a máxima pressão de descarga, admitindo que a temperatura de evaporação seja de 0ºC. 4.7) Determinar a taxa de deslocamento máxima de um compressor de duas palhetas, cujos cilindros e rotor apresentam diâmetro de 190 mm e 170 mm. O cilindro tem um comprimento de 80 mm. A rotação é de 29 rps. 4.8) Um compressor centrífugo de dois estágios, operando a 60 rps, deve comprimir R-11 desde uma Te de 4ºC até uma Tc de 35ºC. Qual deve ser o diâmetro dos rotores, admitindo que eles sejam iguais? 4.9) Um compressor centrífugo, operando a 60 rps, deve comprimir R-717 desde uma Te de 4ºC até uma Tc de 35ºC. Quantos estágios podem ser utilizados e qual deve ser o diâmetro dos rotores, admitindo que eles sejam iguais? DEMECP 9 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES RESPOSTAS 1. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE GÁS. 1.1. (a) 1,7; (b) 45%; (c) 0,034 m³/s; (d) 104,2 kJ/kg 1.2. (a) 1,7; (b) 30%; (c) 0,027 m³/s; (d) 132,6 kJ/kg 1.3. (a) 0,45; (b) 7,8%; (c) 0,04 m³/s; (d) 88,16 kJ/k 2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 2.1. (a) 2,208 kW; (b) 3,632 TR; (c) 5,8 2.2. (a) 3 kW; (b) 3,3 TR; (c) 3,86 2.3. (a) 3,75 kW; (b) 3,4 TR; (c) 3,2 2.4. (a) T 2 3 1 4 s (b) 0,049 kg/s; (c) 1,66 m³/s. O superaquecimento é utilizado para evitar que refrigerante na fase líquida seja admitido no compressor, mesmo que em pequenas quantidades. A admissão de líquido pelo compressor pode causar falhas mecânicas como quebra de válvulas e erosão em pás, assim como promover a diluição do óleo de lubrificação; (d) Destruição da camada de Ozônio. Efeito estufa - Aquecimento Global. 2.5. (a) P (bar) 12,0 11,8 11,6 2’ 3 115ºC 105ºC 38ºC 2,0 1,8 1,6 4 1 1’ 4ºC -7ºC h DEMECP 10 CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES (b) 85,75 W; (c) 4,92 kW; (d) 10751 BTU/h; (e) 0,91; (f) 1,77. 2.6. (a) 0,024 kg/s; (b) 0,557 kW, 11,91 W; (c) 6,3; (d) 0,097 kg/s. 2.7. (a) 1088,7 kJ/kg; (b) 2,92 kW; (c) 11,79 kW. 2.8. (a) 99,14C; (b) 5,12; (c) 16,68 kW; (d) 0,84; (e) 2,72 kW; (f) 5,34; 2,63 kW; (g) 2,88; 4,84 kW. 3. REFRIGERAÇÃO COM MÚLTIPLAS COMPRESSÃO 3.1. (a) 943,94 kJ/kg; (b) 1255,6 kJ/kg; (c) 159,7 kJ/kg, 151,9 kJ/kg; (d) 59,2 kW, 56,3 kW. 3.2. 4. COMPRESSORES 4.1. (a) 90,1%; (b) 77,3%; (c) 68%. 4.2. (a) 113,14 m/s; (b) 296,65 m/s. 4.3. 0,37 kg/s. 4.4. (a) 77,50%; (b) 70,85%. 4.5. Potências ⎛ ⎜ ⎜ Pmi := ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ 23.035 ⎞ 28.841 ⎟ 29.557 ⎟ 27.784 ⎟ 18.198 ⎠ Gráfico Potência x Temperatura de Evaporação 35 33 31 Potência [kW] 29 27 25 23 21 19 17 15 -25 -15 -5 5 15 25 Temperatura de evaporação [ºC] 4.6. 5,31 x 103 kPa. 4.7. 21,88 L/s. 4.8. 0,71 m. 4.9. Seis estágios, 1 m. DEMECP 11