O ciclo de refrigeração a ar utiliza uma turbina como dispositivo de expansão, recuperando parte do trabalho de compressão. Se a turbina for substituída por uma válvula de expansão, o sistema funcionará normalmente? Justifique. [0,5p]
Passo 1
O enunciado trata de um ciclo de refrigeração a ar (ciclo inverso de Brayton) em que, em vez de uma válvula de estrangulamento, usa-se uma turbina de expansão, recuperando trabalho útil e resfriando o fluxo de ar. A questão pergunta se o sistema funcionaria normalmente caso a turbina fosse substituída por uma válvula de expansão. Para responder, vamos comparar os processos de expansão isentrópica (turbina) e isentálpica (válvula) e ver o impacto sobre a produção de frio e o balanço de trabalho do ciclo.
Passo 2
Na turbina de expansão o ar sofre um processo aproximado isentrópico. Como a entropia se mantém constante, há queda de entalpia e, para gás ideal, queda de temperatura dada por
onde
e
são pressão e temperatura na entrada da turbina,
a pressão de saída e
a razão de calores específicos. Esse resfriamento é intenso e a turbina entrega trabalho útil que reduz a carga do compressor.
Passo 3
Na válvula de expansão o processo é isentálpico (entalpia constante), ou seja,
Para gás ideal,
, logo
(nenhuma queda de temperatura ideal). Em fluido real há um ligeiro efeito Joule–Thomson, mas a queda de temperatura é pequena e insuficiente para gerar a diferença térmica necessária ao trocador frio do ciclo.
Passo 4
Sem turbina não há extração de trabalho, aumentando o trabalho líquido consumido pelo compressor. Além disso, como o gás praticamente não esfria na válvula, o “expulso” para o trocador frio chega quase na mesma temperatura do gás que saiu do condensador, inviabilizando a absorção de calor útil no evaporador/regenerador. Em consequência, não se alcança nem a baixa temperatura nem o fluxo frigorífico requeridos.
Resposta
Não. Substituir a turbina por válvula faz a expansão virar isentálpica, sem trabalho recuperado e com queda de temperatura desprezível (para gás ideal
). Logo o ciclo perde o resfriamento necessário e exige maior trabalho de compressor, não operando normalmente.