Conforme a metodologia sugerida em sala de aula resolver e analisar as questões:
Elaborar um esquema de dados e o diagrama de um ciclo de refrigeração e determinar o calor fornecido e o coeficiente de desempenho de uma bomba de calor que tem um compressor com potência de
. As informações que se tem da bomba de calor são: fluido refrigerante
134a, a entalpia específica na saída do compressor, a
e
bar
, é de
. A entalpia específica na saída do condensador a
e a vazão mássica do refrigerante é de
e comentar os resultados.
Elaborar um esquema de dados e o diagrama de um ciclo de refrigeração e determinar o calor fornecido e o coeficiente de desempenho de uma bomba de calor que tem um compressor com potência de
Passo 1
O enunciado pede duas coisas principais:
- Elaborar um esquema de dados e o diagrama do ciclo de refrigeração (lista clara dos pontos do ciclo e os dados conhecidos).
- Determinar o calor fornecido pelo condensador e o coeficiente de desempenho (COP) da bomba de calor, e comentar os resultados.
Dados fornecidos (peguei estes números do enunciado):
- Fluido refrigerante: R134a.
- Potência do compressor:
. - Entalpia específica na saída do compressor (ponto 2):
(condições: , ). - Entalpia específica na saída do condensador (ponto 3):
(a ). - Vazão mássica do refrigerante:
.
O que precisa ser entregue numericamente: o calor fornecido pela bomba de calor (taxa de calor no condensador, em
) e o coeficiente de desempenho
(adimensional).
Passo 2
Esquema de dados e diagrama (descrição do ciclo vapor-compressão em 4 estados — sem desenhar imagem, mas numerando os pontos para ficar claro):
- Ponto 1: saída do evaporador / entrada do compressor (vapor saturado ou levemente superaquecido). Entalpia
(não fornecida diretamente). - Compressor: de 1 para 2. Entrada 1 → saída 2 com entalpia
dada. - Ponto 2: saída do compressor (vapor quente comprimido). Entalpia
. - Condensador: de 2 para 3. O refrigerante rejeita calor ao ambiente aquecido e condensa. Saída do condensador é líquido subresfriado/saturado no ponto 3.
- Ponto 3: saída do condensador (líquido). Entalpia
. - Válvula de expansão (estrangulamento): de 3 para 4. Processo aproximado como isentalpico (típico em ciclos vap-compr.), logo
. - Evaporador: de 4 para 1. O refrigerante absorve calor da fonte fria até chegar ao estado de entrada do compressor.
Tabela resumida dos dados conhecidos:
Observação importante (usada mais adiante): na expansão por válvula, assume-se processo isentalpico, então
Passo 3
Fórmula e cálculo do calor fornecido pelo condensador (taxa de calor rejeitada pelo refrigerante ao ambiente quente).
Princípio usado:
- A taxa de calor rejeitada no condensador é dada pela variação de entalpia do fluido entre a entrada e a saída do condensador multiplicada pela vazão mássica:
Onde:
-
é o calor fornecido pela bomba de calor (taxa) em . -
é a vazão mássica em . -
e são as entalpias específicas (entrada e saída do condensador) em . - Observação de unidade:
.
Substituindo os valores fornecidos:
Calcule a diferença de entalpias:
Agora a taxa de calor:
Arredondando razoavelmente para duas casas decimais:
Comentário rápido: esse valor significa que, com a vazão e condições dadas, o condensador está entregando cerca de
de calor ao ambiente aquecido.
Passo 4
Fórmula e cálculo do coeficiente de desempenho da bomba de calor.
Definição:
- Para uma bomba de calor, o coeficiente de desempenho é a razão entre o calor fornecido ao ambiente quente e o trabalho fornecido ao compressor:
Onde:
-
é adimensional. -
é a taxa de calor no condensador ( ). -
é a potência do compressor ( ).
Substituindo os valores encontrados:
Arredondando para duas casas decimais:
Interpretação numérica direta: com
de potência no compressor, a bomba entrega cerca de
de calor; portanto para cada
elétrico gasto, obtém-se aproximadamente
térmicos na saída — esse é o COP.
Passo 5
Verificações e cálculos auxiliares (úteis para entendimento do ciclo e para a resposta oral na prova):
- Trabalho específico do compressor (trabalho por unidade de massa), a partir da potência e vazão mássica:
Substituindo:
- Determinar
(entalpia na entrada do compressor) usando (se considerarmos que o trabalho do compressor aumenta a entalpia do fluido, desprezando perdas diversas no balanço energético ideal):
- Efeito frigorífico (calor absorvido no evaporador):
lembrando que
. Então
- Verificação de balanço de energia (consistência):
coincidindo com
calculado (diferença por arredondamento). Assim o ciclo está energeticamente consistente.
Explicação curta dos processos usados:
- A expansão na válvula é tratada como isentalpica (portanto
). - O compressor aumenta a entalpia do vapor em
. - O condensador rejeita calor igual à queda de entalpia
.
Passo 6
Comentário e interpretação dos resultados (tom amigável e motivador):
- O calor fornecido ao ambiente aquecido é relativamente alto:
. Isso significa que o sistema, com a vazão de , consegue entregar essa potência térmica ao espaço aquecido. - O
é um valor moderado: não é ruim, mas também não é excepcionalmente alto. Em bombas de calor reais o COP varia muito com as temperaturas de evaporação e condensação; quanto maior a diferença de temperatura entre o condensador (aquecimento) e o evaporador (fonte fria), menor tende a ser o COP. Aqui o enunciado indica que a saída do compressor está a e — temperaturas relativamente elevadas de condensação tendem a reduzir o COP. - Observação prática: se fosse possível reduzir a temperatura de condensação (por exemplo, diminuir a temperatura exigida no ambiente aquecido) ou aumentar a temperatura do evaporador (melhor fonte fria), o COP melhoraria. Além disso, perdas mecânicas e elétricas reais (não consideradas aqui) também afetam o COP real.
- Para a prova: mostrar os balanços de entalpia, explicar a suposição de expansão isentalpica e verificar o balanço
é uma excelente maneira de demonstrar entendimento e conferir consistência numérica — e foi exatamente isso que fizemos.
Força aí — você agora tem um roteiro claro para montar o diagrama no caderno (pontos 1→2→3→4) e todas as contas passo a passo para justificar os resultados na prova!