Instrodução a Refrigeração UFBA

2. TÓPICOS
- Introdução
- Conceitos Fundamentais
- Ciclos de Refrigeração por Compressão de
Vapor

3. Introdução

4. Dispositivo de
Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
QC
QO
WC
Sistema de Refrigeração por
Compressão de Vapor

5. Porta
Ar Externo
Dispositivo de
Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor

6. Porta
Dispositivo
de Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
WC
Bomba

7. Ar
Externo
Ventilador
Dispositivo
de Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
WC

8. CAPÍTULO 1
Conceitos Fundamentais

9. Definições
• Propriedades termodinâmicas
• Estado termodinâmico
• Processo
• Ciclo
• Substância Pura
• Temperatura de saturação
• Líquido Saturado
• Líquido Sub-resfriado
• Título (x)
• Vapor Saturado
• Vapor Superaquecido

10. Definições
• Propriedades termodinâmicas
São características macroscópicas de um sistema,
como: volume, massa, temperatura, pressão etc.
• Estado termodinâmico
Pode ser entendido como sendo a condição em que
se encontra a substância, sendo caracterizado pelas
suas propriedades.
• Processo
É uma mudança de estado de um sistema. O
processo representa qualquer mudança nas
propriedades da substância.
• Ciclo
É um processo, ou mais especificamente uma série
de processos, onde o estado inicial e o estado final
do sistema (substância) coincidem.

11. P
RECIPIENTE
Líquido
Definições
• Substância Pura
É qualquer substância que tenha composição química
invariável e homogênea. Ela pode existir em mais de uma
fase (sólida, líquida e gasosa), mas a sua composição
química é a mesma em qualquer das fases

12. Definições
Estados de uma Substância Pura
Líquido
P
T
Líquido Subresfriado
T < TSAT
Líquido Saturado
T = TSAT
Título x = 0
P
Líquido
Vapor Úmido
T = TSAT
0 < x < 1
Líquido
Vapor
P
Vapor
Saturado
P
Vapor Saturado
T = TSAT
x = 1
Vapor
Superaq.
P
Vapor Superaquecido
T > TSAT
Gás
T >>>> TSAT
Gás
P
Líquido
P
T
Líquido Subresfriado
T < TSAT
Líquido
P
LíquidoLíquido
PPP
TT
Líquido Subresfriado
T < TSAT
Líquido Saturado
T = TSAT
Título x = 0
P
Líquido
Líquido Saturado
T = TSAT
Título x = 0
P
Líquido
PP
Líquido
Vapor Úmido
T = TSAT
0 < x < 1
Líquido
Vapor
P
Vapor Úmido
T = TSAT
0 < x < 1
Líquido
Vapor
P
LíquidoLíquido
Vapor
P
VaporVapor
PP
Vapor
Saturado
P
Vapor Saturado
T = TSAT
x = 1
Vapor
Saturado
P
Vapor
Saturado
P
Vapor Saturado
T = TSAT
x = 1
Vapor
Superaq.
P
Vapor Superaquecido
T > TSAT
Vapor
Superaq.
P
Vapor
Superaq.
P
Vapor Superaquecido
T > TSAT
Gás
T >>>> TSAT
Gás
P
Gás
T >>>> TSAT
Gás
P
Gás
P
Gás
P

13. Definições
• Substância Pura
• Temperatura de saturação
• Líquido Saturado
• Líquido Sub-resfriado
• Título (x)
• Vapor Saturado
• Vapor Superaquecido

14. Propriedades Termodinâmicas de uma Substância
• Energia Interna (u)
É a energia que a matéria possui devido ao movimento e/ou forças
intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em
duas partes:
-Energia cinética interna ⇒ relacionada à velocidade das
moléculas;
-Energia potencial interna ⇒ relacionada às forças de atração entre
as moléculas.
• Entalpia (h)
• Entropia (s)
Esta propriedade termodinâmica representa, segundo alguns
autores, uma medida da desordem molecular da substância ou,
segundo outros, a medida da probabilidade de ocorrência de um
dado estado da substância.
• Volume Específico v = V / m
vpuh +=

15. Equações de Estado
• Relação matemática que correlaciona:
Pressão , Temperatura e Volume Específico
(Sistema em equilíbrio termodinâmico.)
• Equação dos Gases Ideais
• Refrigerantes compostos de hidrocarbonetos fluorados
Pv RT=

16. Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos
Frigoríficos

17. Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos
Frigoríficos
Na região de Líquido + vapor pode-se determinar as
propriedades dos fluidos conhecendo-se o título (x), através
das seguintes equações:
( )l v lu u x u u= + −
( )l v lv v x v v= + −
( )l v lh h x h h= + −
( )l v ls s s s s= + −

18. Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos
Frigoríficos

19. Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes
Temperatura
Pressão
Entalpia
Título
Entropia
Volume específico

20. Sistema Fechado
Primeira Lei da Termodinâmica
(Princípio da conservação de energia)
Sistema Aberto
(Volume de controle)

21. Primeira Lei da Termodinâmica
vc
ent sai
E
E E
t
∆
= +
∆
∑ ∑& &
2
c
V
E m
2
= pE mgz= h u pv= +
2 2
ent sai
V V
Q m h g z m h g z W
2 2
   
+ + + = + + + ÷  ÷
 ÷  ÷
   
∑ ∑ ∑ ∑& && &
Energia
Cinética
Energia
Potencial
Entalpia Calor Trabalho
Q& W&

22. Calor Sensível x Calor Latente
• Calor Sensível: associado à variação de temperatura
TcmQ psen ∆= &&
cp da água líquida ≅ 4,20 kJ/kg.ºC (1,0 kcal/kg.ºC)
• Calor Latente: associado à mudança de fase
latlat hmQ && =
Líquido-vapor => Calor latente de vaporização
água ≅ 2500 kJ/kg (600 kcal/kg)
Líquido-Sólido => Calor latente de solidificação
água ≅ 340 kJ/kg (80 kcal/kg)

23. Transferência de Calor
Meios de Transferência de Calor
− Condução
− Convecção
− Radiação

24. Transferência de Calor por Condução
T
Q k A
x
∆
= −
∆
&
Q&
k → Condutividade térmica [W/m.K];
A → Área normal ao fluxo de calor [m2
];
∆T → Diferença de temperatura [K];
∆x → Espessura da placa [m]
→ Fluxo de calor [W];

25. Transferência de Calor por Condução em Cilindros
Q&
k → Condutividade térmica [W/m.K];
L → Comprimento do cilindro [m];
∆T → Diferença de temperatura [K];
r1 → Raio interno do cilindro [m]
→ Fluxo de calor [W];
2
1
T
Q 2 kL
r
r
∆
= π
 
 ÷
 
&
ln
r2 → Raio externo do cilindro [m]

26. Transferência de Calor por Condução
Condutividade Térmica de Alguns Materiais

27. Transferência de Calor por Convecção
Q&
α → Coeficiente de convecção [W/m2
.K];
A → Área normal ao fluxo de calor [m2
];
∆T → Diferença de temperatura [K];
→ Fluxo de calor [W];
Q A T= α ∆&
Coeficiente de convecção entre o ar e a parede em câmaras frigoríficas
− Ar externo α = 29,0 W/m2
.K (25 kcal/h.m2
.°C),
− Ar interno α varia entre 8,15 e 17,45 W/m2
.K (7 a 15 kcal/h.m2
.°C)

28. Transferência de Calor por Radiação
• A transferência de calor se dá por deslocamento de Fótons de
uma superfície a outra
• Ao atingir esta superfície esses Fótons podem ser absorvidos,
refletidos ou transmitidos
• Função: - Temperatura absoluta dos corpos
- Emissividade de cada corpo
- Área
- Fator de forma
Absorvida α
Transmitida τ
Refletida ρ
Emissividade
ε

29. Transferência de Calor por Radiação
1 2Q −
&
σ → Constante de Stefan-Boltzman (5,669 x 10-8
W/m2
.K4
)
A → Área superficial do corpo 1 [m2
];
T1 → Temperatura do corpo 1 [K];
→ Fluxo de calor do corpo 1 para o corpo 2 [W];
( )4 4
1 2 E A 1 2Q F F A T T− = σ −&
T2 → Temperatura do corpo 2 [K];
FA → Fator de forma que leva em conta a posição das superfícies;
FE → Fator de emissividade que leva em conta as características
ópticas como emissividade, absortância, transmissividade e
refletividade;

30. Fator de Forma – FA
• A radiação deixa a superfície em todas as
direções
• Características geométricas, como:
• Forma
• Distância
• Posicionamento
determinam a parcela do total irradiado que
incide sobre a superfície considerada

31. Fator de Forma – FA

32. Analogia entre fluxo de calor e fluxo elétrico
t
T
Q
R
∆
=&
e
V
i
R
∆
=
Fluxo elétrico Fluxo de calor

33. Analogia entre fluxo de calor e fluxo elétrico
t
T
Q
R
∆
=&
T
Q k A
L
∆
= −&
2
1
T
Q 2 kL
r
r
∆
= π
 
 ÷
 
&
ln
Q A T= α ∆&
t
L
R
k A
=
2
1
t
r
ln
r
R
2 kL
 
 ÷
 =
π
t
1
R
A
=
α

34. Resistência Térmica Global (RG)
GA B
G A P B
G G 1 2
TT T 1 L 1
Q R R R R
R R A k A A
∆−
= = = + + = + +
α α
&

35. Coeficiente Global de Transferência de Calor (UG)
A B
G G
1 2
T T
Q U A T
1 L 1
A k A A
−
= = ∆
+ +
α α
& G
1 2
1
U
1 L 1
k
=
+ +
α α

36. Diferença de Temperatura Média Logarítmica
Trocador de calor de correntes paralelas
( ) ( )AE BE AS BSe s
e AE BE
s AS BS
T T T TT T
Tml
T T T
ln ln
T T T
− − −∆ − ∆
∆ = =
   ∆ −
 ÷  ÷
∆ −   

37. Diferença de temperatura média logarítmica
Trocador de calor de contracorrentes
( ) ( )AE BS AS BEe s
e AE BS
s AS BE
T T T TT T
Tml
T T T
ln ln
T T T
− − −∆ − ∆
∆ = =
   ∆ −
 ÷  ÷
∆ −   

38. CAPÍTULO 2
Ciclos de Refrigeração por
Compressão de Vapor

39. Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor

40. Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor

41. Ciclo Real de Refrigeração por Compressão de Vapor

42. Balanço de Energia para o Ciclo
Aplicação da Primeira lei da Termodinâmica
para cada Componente do Sistema
2 2
ent sai
V V
Q m h g z m h g z W
2 2
   
+ + + = + + + ÷  ÷
 ÷  ÷
   
∑ ∑ ∑ ∑& && &

43. Balanço de Energia para o Ciclo
Evaporador
o f 1 4Q m (h h )= −& &

44. Compressor
c f 2 1W m (h h )= −& &
Balanço de Energia para o Ciclo

45. Condensador
c f 2 3Q m (h h )= −& &
Balanço de Energia para o Ciclo

46. Dispositivo de Expansão 3 4h h=
Balanço de Energia para o Ciclo

47. Evaporador...........................
Compressor..........................
Condensador........................
Dispositivo de Expansão.....
o f 1 4Q m (h h )= −& &
c f 2 1W m (h h )= −& &
c f 2 3Q m (h h )= −& &
3 4h h=
RESUMO:
Balanço de Energia para o Ciclo

48. Coeficiente de Performance do Ciclo - COP
Evaporador...........................
Compressor..........................
Condensador........................
Dispositivo de Expansão.....
o f 1 4Q m (h h )= −& &
c f 2 1W m (h h )= −& &
c f 2 3Q m (h h )= −& &
3 4h h=
o 1 4
2 1c
Q h hEnergia Util
COP
Energia Gasta h hW
−
= = =
−
&
&

49. Bomba de Calor - COPB
+
= = = + = +
& & &&
& & &
c c o o
B
c c
Q W Q Q
COP 1 1 COP
W W W

50. Parâmetros que Influenciam no COP do Ciclo
de Refrigeração
→ Influência da Temperatura de Vaporização
→ Influência da Temperatura de Condensação
→ Influência do Subresfriamento
→ Influência do Superaquecimento Útil

51. Influência da Temperatura de Vaporização

52. - 3 0 . 0 0 - 2 0 . 0 0 - 1 0 . 0 0 0 . 0 0 1 0 . 0 0
T e m p e r a t u r a d e V a p o r i z a ç ã o , T o , e m C e l s i u s
2 . 0 0
3 . 0 0
4 . 0 0
5 . 0 0
6 . 0 0
7 . 0 0
CoeficientedePerformance,C.O.P.
L E G E N D A
R - 7 1 7
R - 1 3 4 a
R - 2 2
Tc = 40o
C
Influência da Temperatura de Vaporização

53. Influência da Temperatura de Condensação

54. 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0
T e m p e r a t u r a d e C o n d e n s a ç ã o , T c , e m C e ls iu s
2 . 0
3 . 0
4 . 0
5 . 0
6 . 0
CoeficientedePerformance,C.O.P.
L E G E N D A
R - 7 1 7
R - 1 3 4 a
R - 2 2
T o = - 1 0 C
o
Influência da Temperatura de Condensação

55. Influência do Subresfriamento

56. Influência do Subresfriamento
0 . 0 4 . 0 8 . 0 1 2 . 0 1 6 . 0
S u b - R e s f r ia m e n t o , , e m C e ls iu s
3 . 0
3 . 2
3 . 4
3 . 6
3 . 8
4 . 0
4 . 2
4 . 4
CoeficientedePerformance,C.O.P ∆T s r
L e g e n d a
R - 7 1 7
R - 1 3 4 a
R - 2 2
T c = 4 5 C
T o = - 1 0 C
o
o

57. Influência do Superaquecimento Útil

58. Influência do Superaquecimento Útil
0 . 0 4 . 0 8 . 0 1 2 . 0 1 6 . 0 2 0 . 0
S u p e r a q u e c im e n t o Ú t il, , e m C e ls iu s
3 . 5 0
3 . 6 0
3 . 7 0
3 . 8 0
3 . 9 0
CoeficientedePerformance,C.O.P.
L E G E N D A
R - 7 1 7
R - 1 3 4 a
R - 2 2
T c = 4 5 C
T o = - 1 0 Co
o
∆T s a

59. Trocador de Calor Intermediário