2.142 Em um refrigerador doméstico, o fluido refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor a baixa temperatura, no interior do aparelho. O fluido também muda da fase vapor para a fase líquida a uma temperatura mais alta no trocador de calor que fornece energia para o ar ambiente. Meça ou estime essas temperaturas. Utilize essas temperaturas para construir uma tabela que apresente as pressões no condensador e no evaporador para cada um dos refrigerantes presentes no Apêndice B. Discuta os resultados e mostre quais são as características necessárias para que uma substância possa ser considerada um refrigerante em potencial.
Passo 1
O enunciado pede que eu:
- Meça ou estime as temperaturas em que o fluido refrigerante muda de líquido para vapor (evaporador, baixa temperatura) e de vapor para líquido (condensador, temperatura mais alta) num refrigerador doméstico.
- Use essas temperaturas para construir uma tabela com as pressões no condensador e no evaporador para cada refrigerante do Apêndice B.
- Discuta os resultados e mostre as características necessárias para que uma substância seja considerada refrigerante em potencial.
Informações relevantes dadas no enunciado:
- O processo é o ciclo de refrigeração doméstico: evaporação a baixa temperatura dentro do aparelho e condensação a temperatura mais alta liberando calor para o ambiente.
- O enunciado pede pressões de saturação (condensador e evaporador) para cada refrigerante listado no Apêndice B.
Informação que falta e que é essencial:
- A lista de refrigerantes do Apêndice B NÃO foi enviada. Sem essa lista eu não consigo construir a tabela pedida exatamente para “cada um dos refrigerantes presentes no Apêndice B”.
Portanto: eu vou explicar todo o método passo a passo, estimar temperaturas típicas, mostrar como obter as pressões a partir das tabelas de saturação e apresentar um exemplo completo para um refrigerante representativo (R-134a). Se você me enviar a lista do Apêndice B eu repito o procedimento e monto a tabela completa para esses refrigerantes.
Passo 2
Entendendo o que liga temperatura e pressão no processo (a física por trás, didaticamente).
Quando uma substância troca de fase líquido↔vapor em equilíbrio, a pressão e a temperatura são relacionadas pela curva de saturação. Isso significa que:
onde:
-
é a pressão de saturação (a pressão à qual ocorre mudança de fase à temperatura considerada), -
é a temperatura de saturação.
Na prática: o refrigerante que ferve no evaporador à temperatura
terá uma pressão de evaporador
e o refrigerante que condensa no condensador à temperatura
terá
Como obter
? Há duas maneiras comuns:
- Consultar tabelas de saturação (biblioteca, manual termodinâmico, ou Apêndice com propriedades). É o método mais direto e preciso para provas.
- Usar uma expressão empírica (por ex. equação de Antoine):
onde
são constantes do refrigerante e
fica em
ou K conforme o ajuste;
costuma vir em bar ou mmHg conforme a forma da constante. Sempre verifique unidades das constantes antes de usar. Aqui, cada parâmetro tem papel:
desloca a curva,
está relacionado à energia de vaporização e
corrige a escala térmica. Na prática de prova você normalmente usa tabelas, não ajusta
.
Resumo prático para a prova: defina as temperaturas de evaporação e condensação, e para cada refrigerante procure em tabela o valor de
nessas temperaturas. Pronto — essas são as pressões do evaporador e do condensador.
Passo 3
Escolhendo (estimando) as temperaturas típicas para um refrigerador doméstico e justificando a escolha.
Raciocínio físico simples e prático:
- Temperatura ambiente típica interna onde o condensador libera calor:
. O condensador estará um tanto acima do ambiente (diferença de temperatura para se transferir calor). Uma escolha prática para aparelhos domésticos é ter o condensador operando em torno de a . - O evaporador precisa fornecer frio à câmara; para um refrigerador doméstico (compartimento “geladeira”) a temperatura interna costuma ficar entre
e . O evaporador é geralmente um pouco mais frio que o ar interno para permitir troca de calor. Para simplicidade e por ser um valor típico usado em exercícios, escolho:
(um valor de referência que representa um evaporador suficientemente frio para congelar/retirar calor do interior) e
(assumindo
e uma sobretemperatura no condensador de
).
Observação: se o enunciado pedisse a geladeira (não freezer) estrito, poderíamos usar
; para freezer use
. O procedimento é o mesmo — só mudam os números.
Passo 4
Como obter as pressões (procedimento passo a passo que devo aplicar a cada refrigerante do Apêndice B).
- Escolha
e (já escolhemos e ). - Para cada refrigerante do Apêndice B, consulte a tabela de propriedades termodinâmicas (tabela de saturação) e leia:
-
- Anote as pressões em unidades convenientes (kPa ou bar). Em provas use a mesma unidade para todos os refrigerantes.
- Se a temperatura escolhida estiver acima da temperatura crítica do fluido, não haverá condensação nesse
— aí o fluido estaria em condição supercrítica e o ciclo convencional não funciona: isso deve ser destacado.
Dica prática de prova: se não tiver tabela numérica, anote como resposta “usar tabela de saturação para obter
” e, se solicitado, forneça valores numéricos apenas para refrigerantes que você conhece ou que constem do material da disciplina.
Passo 5
Exemplo numérico completo (faço para um refrigerante representativo:
). Isso é um modelo de como você fará para cada refrigerante do Apêndice B quando tiver a lista.
Escolhi
porque é um refrigerante comum e os valores ilustram bem o procedimento.
Dados (valores retirados de tabelas de saturação padrão — aqui uso valores arredondados para didática):
- Para
a pressão de saturação em é aproximadamente
- Para
a pressão de saturação em é aproximadamente
Interpretação: isso significa que, para operar com essas temperaturas, o compressor e componentes do sistema devem suportar uma pressão de descarga na vizinhança de
no condensador e uma pressão de sucção de
no evaporador. Esses números são típicos para R-134a em aplicações domésticas.
Se você repetir o mesmo procedimento para cada refrigerante do Apêndice B (consultando a tabela de
apropriada), terá a tabela completa que o enunciado pede.
Passo 6
Discussão dos resultados (o que se observa e o que importa na escolha do refrigerante)
Observações gerais ao comparar refrigerantes (o que a tabela de pressões normalmente revela):
- Alguns refrigerantes operam com pressões de condensação e sucção relativamente baixas (o que facilita o projeto de componentes e reduz tensões mecânicas); outros exigem pressões bem maiores. Ex.: misturas como R-410A trabalham em pressões significativamente maiores que R-134a — isso impõe requisitos de projeto diferentes.
- Se a temperatura de condensação escolhida estiver acima da temperatura crítica do fluido, não há condensação em fase líquida (o fluido fica supercrítico); um refrigerante com temperatura crítica baixa (por ex.
com ) só pode condensar abaixo dessa temperatura — para temperaturas de condensação maiores, exige-se um ciclo transcrítico (caso do CO2 em climas quentes). - A diferença de pressão entre condensador e evaporador (pressão de descarga menos pressão de sucção) dá ideia da relação de compressão e, junto com propriedades termodinâmicas, afeta eficiência e trabalho do compressor.
Passo 7
Quais características uma substância deve ter para ser considerada um refrigerante em potencial? (explicação didática, ponto a ponto)
- Temperatura de ebulição apropriada: a substância deve ter ponto de ebulição e curva de saturação tal que a faixa de pressões na qual ela opera seja prática para o sistema (nem pressioníssimas que exijam tubulações e componentes caros, nem pressões tão baixas que causem problemas de vazamento).
- Ex.: para refrigeração doméstica é desejável que a pressão de evaporador a
e a pressão de condensador a sejam valores manejáveis.
- Ex.: para refrigeração doméstica é desejável que a pressão de evaporador a
- Alto calor latente de vaporização: maior calor latente significa menor vazão mássica para remover mesma carga térmica (compressor e tubulação menores).
- Estabilidade química: não deve decompor-se nas condições de operação; produtos de decomposição podem ser corrosivos ou perigosos.
- Compatibilidade com materiais e lubrificantes: não pode reagir com metais comummente usados nem degradar o óleo lubrificante.
- Segurança: baixa toxicidade e baixo risco de inflamabilidade. Alguns ótimos refrigerantes têm inflamabilidade (ex.: hidrocarbonetos), exigindo cuidados.
- Impacto ambiental: baixo potencial de degradação da camada de ozônio (ODP) e baixo potencial de aquecimento global (GWP). Hoje em dia isto é um requisito cada vez mais rigoroso.
- Temperatura crítica adequada: idealmente o fluido tem temperatura crítica suficientemente alta para permitir condensação àquelas temperaturas ambiente típicas sem operar em regime transcrítico.
- Bom comportamento termodinâmico (pressões e densidade favoráveis): influencia eficiência volumétrica do compressor e dimensionamento dos trocadores.
Passo 8
Como você converte isso numa tabela completa (passos práticos finais para quando eu tiver a lista do Apêndice B):
- Liste os refrigerantes do Apêndice B.
- Para cada refrigerante, abra a tabela de saturação e leia
e com e (ou os valores que você decidir). - Monte a tabela com colunas: Refrigerante |
| | | | Observações (ex.: acima de ?). - Compare pressões e comente conforme os critérios do Passo 6 e 7.
Resposta
Não é possível construir a tabela para os refrigerantes do Apêndice B porque a lista do Apêndice B não foi fornecida.
Estimativa das temperaturas: e
.
Exemplo (apenas para , como modelo de procedimento):
e
.
Características necessárias para um refrigerante em potencial: temperatura de ebulição adequada; alto calor latente; estabilidade química; compatibilidade com materiais e lubrificantes; segurança (baixa toxicidade e inflamabilidade controlada); baixo ODP/GWP; temperatura crítica adequada; boas propriedades termodinâmicas.
Estimativa das temperaturas:
Exemplo (apenas para
Características necessárias para um refrigerante em potencial: temperatura de ebulição adequada; alto calor latente; estabilidade química; compatibilidade com materiais e lubrificantes; segurança (baixa toxicidade e inflamabilidade controlada); baixo ODP/GWP; temperatura crítica adequada; boas propriedades termodinâmicas.