A água é muito utilizada em ciclos de potência, enquanto o R-134a é utilizado em ciclos de refrigeração. Explique por que cada substância é mais adequada para a sua aplicação.
Passo 1
O enunciado pede para compararmos dois fluidos de trabalho em ciclos termodinâmicos: a água em ciclos de potência (como o ciclo Rankine) e o R-134a em ciclos de refrigeração (como o ciclo de compressão de vapor). O que precisamos usar é a teoria de ciclos termodinâmicos em regime estacionário, em especial as fórmulas de eficiência térmica e de coeficiente de desempenho, e as propriedades físicas dos fluidos (temperatura crítica, pressão de vapor, entalpia de vaporização).
Passo 2
Para um ciclo de potência ideal baseado em calor
a uma temperatura alta
e rejeição
a
, a eficiência de Carnot é
Para maximizar
precisamos operar com
o mais elevado possível e manter
relativamente baixo. A água possui:
temperatura crítica alta (
,K), permitindo vaporizar e aquecer o fluido a milhares de kelvins sem chegar ao ponto crítico;
grande entalpia de vaporização (
kJ/kg), o que gera grande trabalho na turbina por kg de fluido;
ampla região de fases líquida-vapor, favorecendo trocas de calor na caldeira e condensador.
Essas características permitem ciclos com alta temperatura de turbina e boa eficiência, além de a água ser barata, não tóxica e ecologicamente inofensiva.
Essas características permitem ciclos com alta temperatura de turbina e boa eficiência, além de a água ser barata, não tóxica e ecologicamente inofensiva.
Passo 3
Já num ciclo de refrigeração de compressão de vapor queremos retirar calor
de um reservatório frio a
e rejeitá-lo a
. O coeficiente de desempenho (COP) de Carnot é
Para maximizar
precisamos de um fluido que vaporize a baixas temperaturas e condense a pressões e temperaturas próximas às do ambiente:
o ponto de ebulição do R-134a a 1 atm é
, adequado para refrigeração doméstica e industrial;
a pressão de trabalho no condensador e evaporador fica numa faixa prática (centenas de kPa), requerendo compressores de tamanho e custo moderados;
o R-134a tem entalpia de vaporização suficientemente alta nessa faixa de temperaturas, gerando bom efeito frigorígeno por kg de fluido;
é quimicamente estável, não corrosivo, praticamente não tóxico e não inflamável, além de ter baixo potencial de esgotamento de ozônio (comparado a CFCs antigos).
Resposta
A água é ideal para ciclos de potência porque suporta altas temperaturas e pressões, tem grande entalpia de vaporização e, ao permitir temperaturas de turbina elevadas, leva a eficiências térmicas altas. O R-134a é ideal para refrigeração porque vaporiza a baixas temperaturas e pressões compatíveis com o ambiente, fornece bom efeito frigorígeno e é seguro e estável para sistemas de compressão de vapor.