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:
  1. 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.
  2. Use essas temperaturas para construir uma tabela com as pressões no condensador e no evaporador para cada refrigerante do Apêndice B.
  3. 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:
p_{\text{sat}} = p_{\text{sat}}(T)
onde:
  • \;p_{\text{sat}} é a pressão de saturação (a pressão à qual ocorre mudança de fase à temperatura considerada),
  • \;T é a temperatura de saturação.
Na prática: o refrigerante que ferve no evaporador à temperatura \;T_{\text{evap}} terá uma pressão de evaporador
p_{\text{evap}} = p_{\text{sat}}(T_{\text{evap}})
e o refrigerante que condensa no condensador à temperatura \;T_{\text{cond}} terá
p_{\text{cond}} = p_{\text{sat}}(T_{\text{cond}}).
Como obter p_{\text{sat}}(T)? Há duas maneiras comuns:
  1. Consultar tabelas de saturação (biblioteca, manual termodinâmico, ou Apêndice com propriedades). É o método mais direto e preciso para provas.
  2. Usar uma expressão empírica (por ex. equação de Antoine):
\log_{10} p = A - \frac{B}{T + C}
onde A,B,C são constantes do refrigerante e T fica em ^\circ \mathrm{C} ou K conforme o ajuste; p costuma vir em bar ou mmHg conforme a forma da constante. Sempre verifique unidades das constantes antes de usar. Aqui, cada parâmetro tem papel: A desloca a curva, B está relacionado à energia de vaporização e C corrige a escala térmica. Na prática de prova você normalmente usa tabelas, não ajusta A,B,C.
Resumo prático para a prova: defina as temperaturas de evaporação e condensação, e para cada refrigerante procure em tabela o valor de p_{\text{sat}} 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: \;T_{\text{amb}}\approx 20\text{–}25^\circ\mathrm{C}. 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 \;T_{\text{cond}} \approx T_{\text{amb}} + 15^\circ\mathrm{C} a 20^\circ\mathrm{C}.
  • O evaporador precisa fornecer frio à câmara; para um refrigerador doméstico (compartimento “geladeira”) a temperatura interna costuma ficar entre \;0^\circ\mathrm{C} e \;5^\circ\mathrm{C}. 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:
T_{\text{evap}} = -5^\circ\mathrm{C}
(um valor de referência que representa um evaporador suficientemente frio para congelar/retirar calor do interior) e
T_{\text{cond}} = 45^\circ\mathrm{C}
(assumindo T_{\text{amb}}\approx 25^\circ\mathrm{C} e uma sobretemperatura no condensador de \approx 20^\circ\mathrm{C}).
Observação: se o enunciado pedisse a geladeira (não freezer) estrito, poderíamos usar T_{\text{evap}}\approx 0^\circ\mathrm{C}; para freezer use T_{\text{evap}}\approx -20^\circ\mathrm{C}. 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).
  1. Escolha T_{\text{evap}} e T_{\text{cond}} (já escolhemos -5^\circ\mathrm{C} e 45^\circ\mathrm{C}).
  2. Para cada refrigerante do Apêndice B, consulte a tabela de propriedades termodinâmicas (tabela de saturação) e leia:
    • p_{\text{evap}} = p_{\text{sat}}(T_{\text{evap}})
    • p_{\text{cond}} = p_{\text{sat}}(T_{\text{cond}})
  3. Anote as pressões em unidades convenientes (kPa ou bar). Em provas use a mesma unidade para todos os refrigerantes.
  4. Se a temperatura escolhida estiver acima da temperatura crítica do fluido, não haverá condensação nesse T_{\text{cond}} — 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 p_{\text{sat}}(T)” 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: \mathrm{R}\!-\!134\mathrm{a}). Isso é um modelo de como você fará para cada refrigerante do Apêndice B quando tiver a lista.
Escolhi \mathrm{R}\!-\!134\mathrm{a} 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 \mathrm{R}\!-\!134\mathrm{a} a pressão de saturação em T_{\text{evap}}=-5^\circ\mathrm{C} é aproximadamente
p_{\text{evap}} \approx 279\\ \text{kPa}.
  • Para \mathrm{R}\!-\!134\mathrm{a} a pressão de saturação em T_{\text{cond}}=45^\circ\mathrm{C} é aproximadamente
p_{\text{cond}} \approx 1240\\ \text{kPa}.
Interpretação: isso significa que, para operar com essas temperaturas, o compressor e componentes do sistema devem suportar uma pressão de descarga na vizinhança de \;1{,}24\\ \text{MPa} no condensador e uma pressão de sucção de \;0{,}279\\ \text{MPa} 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 p_{\text{sat}}(T) 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. \mathrm{CO}_2 com T_{\text{cr}}\approx 31^\circ\mathrm{C}) 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)
  1. 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 -5^\circ\mathrm{C} e a pressão de condensador a 45^\circ\mathrm{C} sejam valores manejáveis.
  2. Alto calor latente de vaporização: maior calor latente significa menor vazão mássica para remover mesma carga térmica (compressor e tubulação menores).
  3. Estabilidade química: não deve decompor-se nas condições de operação; produtos de decomposição podem ser corrosivos ou perigosos.
  4. Compatibilidade com materiais e lubrificantes: não pode reagir com metais comummente usados nem degradar o óleo lubrificante.
  5. Segurança: baixa toxicidade e baixo risco de inflamabilidade. Alguns ótimos refrigerantes têm inflamabilidade (ex.: hidrocarbonetos), exigindo cuidados.
  6. 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.
  7. Temperatura crítica adequada: idealmente o fluido tem temperatura crítica suficientemente alta para permitir condensação àquelas temperaturas ambiente típicas sem operar em regime transcrítico.
  8. 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):
  1. Liste os refrigerantes do Apêndice B.
  2. Para cada refrigerante, abra a tabela de saturação e leia p_{\text{sat}}(T_{\text{evap}}) e p_{\text{sat}}(T_{\text{cond}}) com T_{\text{evap}}=-5^\circ\mathrm{C} e T_{\text{cond}}=45^\circ\mathrm{C} (ou os valores que você decidir).
  3. Monte a tabela com colunas: Refrigerante | T_{\text{evap}} | p_{\text{evap}} | T_{\text{cond}} | p_{\text{cond}} | Observações (ex.: T_{\text{cond}} acima de T_{\text{cr}} ?).
  4. 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: T_{\text{evap}}=-5^\circ\mathrm{C} e T_{\text{cond}}=45^\circ\mathrm{C}.
Exemplo (apenas para \mathrm{R}\!-\!134\mathrm{a}, como modelo de procedimento): p_{\text{evap}}\approx 279\\ \text{kPa} e p_{\text{cond}}\approx 1240\\ \text{kPa}.
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.

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