Desenhe esquematicamente um diagrama T-s e P-h para um ciclo para um ciclo real de refrigeração, indicando pontos relevantes, descreva os processos que ocorrem neste ciclo e indique no diagrama os equipamentos utilizados em cada um destes processos.
Passo 1
O que o enunciado pede e que informações temos:
- O pedido é: desenhar esquematicamente um diagrama
e um diagrama para um ciclo real de refrigeração, indicando pontos relevantes; descrever os processos que ocorrem no ciclo; e indicar, nos diagramas, quais equipamentos realizam cada processo. - Informação implícita: trata-se do ciclo de compressão de vapor típico (ciclo de refrigeração por compressão de vapor) em sua versão real (isto é, com perdas como compressão não-isentrópica, superaquecimento, sub-resfriamento, queda de pressão etc.).
- O que preciso fornecer: instruções claras de como desenhar os dois diagramas (o que traçar, onde marcar os pontos), a identificação e descrição dos processos termodinâmicos entre pontos, e a indicação de onde ficam compressor, condensador, válvula de expansão (ou dispositivo de estrangulamento) e evaporador.
Passo 2
Conceitos básicos e convenções que vou usar (rápida “aula”):
- Entropia
: medida da desordem termodinâmica; em diagramas o eixo vertical é temperatura (normalmente em °C ou K) e o eixo horizontal é entropia (kJ/kg·K). No ciclo de vapor a área sob o processo isentrópico/adiabático não tem interpretação tão direta como em , mas o desenho mostra fases (líquido, mistura, vapor) e trocas de calor. - Entalpia
: energia interna mais por unidade de massa; em diagramas o eixo vertical é pressão e o horizontal é entalpia (kJ/kg). O diagrama é muito usado em refrigeração porque a maioria dos processos importantes aparecem como linhas quase horizontais (evaporação/condensação) ou verticais (estrangulamento isentalpico), e as diferenças de entalpia dão diretamente trabalho e calor por unidade de massa. - Estados numerados (convencionais): vou usar quatro estados básicos no ciclo, numerados sequencialmente no sentido de escoamento do refrigerante:
- Estado
: saída do evaporador (vapor saturado ou ligeiramente superaquecido). - Estado
: saída do compressor (vapor comprimido, superaquecido). - Estado
: saída do condensador (líquido saturado ou sub-resfriado). - Estado
: saída da válvula de expansão (mistura de líquido+vapor a baixa pressão).
- Estado
- Notas sobre “real” vs “ideal”: no ciclo ideal a compressão seria isentrópica (
) e não haveria sub-resfriamento nem superaquecimento. No ciclo real: compressão é não-isentrópica ( ), costuma haver superaquecimento na saída do evaporador ( maior que ) e sub-resfriamento após condensador ( menor que ); há ainda quedas de pressão por perdas no evaporador e condensador.
Passo 3
Instruções para desenhar o diagrama
esquemático (passo a passo do desenho):
- No papel, trace o eixo vertical e rotule-o
(temperatura). Trace o eixo horizontal e rotule-o (entropia). - Desenhe, à esquerda do centro, a campânula (dome) da região de vapor-líquido: a curva esquerda é linha de líquido saturado, a curva direita é linha de vapor saturado. Abaixo da base da campânula está líquido comprimido; acima, vapor superaquecido.
- Marque o ponto
na borda direita da campânula ou ligeiramente à direita dela, no nível da pressão de evaporação (ou seja, próximo à vapor saturado a baixa pressão). Se houver superaquecimento, coloque um pouco à direita da linha de vapor saturado e a uma temperatura maior que . Escreva “saída do evaporador (vapor)”. - Desenhe um traço de
para curvando-se para cima e para a direita: este é o processo de compressão. No ciclo real o traço sobe em temperatura e entropia — portanto aumenta e aumenta ( ). No ideal se seria uma linha vertical para cima (isentrópica); no real desenhe uma inclinação para a direita para mostrar aumento de . - Marque o ponto
bem acima da campânula, numa região de vapor superaquecido — escreva “saída do compressor (vapor superaquecido)”. - Desenhe de
para uma linha quase horizontal e indo para a esquerda que cruza a área acima da campânula até alcançar a borda esquerda da região de vapor (atravessando a região de resfriamento e condensação). Isso representa o processo de rejeição de calor no condensador: a temperatura cai (ou permanece aproximadamente constante na zona de mudança de fase a pressão constante). Em T-s, a condensação aparece como uma linha que atravessa sob a curva de saturação, com entropia diminuindo. - Marque
próximo à linha de líquido saturado ou um pouco à esquerda dela (se houver sub-resfriamento, coloque à esquerda da linha de líquido saturado). Escreva “saída do condensador (líquido saturado/sub-resfriado)”. - Desenhe de
para uma linha que salte verticalmente para baixo à direita (no T-s isso mostra aumento de entropia e queda de temperatura/entrada na região de mistura). Na prática, o estrangulamento (válvula) é isentalpico ( ) mas em T-s aparece como um movimento para a direita porque a entropia aumenta enquanto a temperatura do estado misto diminui. - Marque
dentro da campânula, na região de mistura (qualidade ), e escreva “saída da válvula de expansão (mistura frio)”. - Finalmente, desenhe de
para uma linha quase horizontal indo para a direita dentro da campânula: esse é o processo de evaporação a pressão constante (absorção de calor), a entalpia e temperatura variam de forma que o refrigerante vaporiza até chegar ao vapor saturado/superaquecido em . - Indique nos trechos quais equipamentos atuam: entre
escreva “compressor”; entre escreva “condensador (rejeita calor)”; entre escreva “válvula de expansão / dispositivo de estrangulamento (processo isentalpico)”; entre escreva “evaporador (absorve calor)”.
Passo 4
Instruções para desenhar o diagrama
esquemático (passo a passo do desenho):
- No papel, desenhe o eixo vertical e rotule-o
(pressão). Desenhe o eixo horizontal e rotule-o (entalpia). - Esboce a curva de saturação (a “campânula” em
): geralmente a curva tem a parte esquerda subindo e a direita descendo, formando a região de duas fases entre as duas linhas. Dentro da região entre as linhas está a mistura líquido-vapor. - Marque o ponto
no ramo direito dentro/na borda da área de vapor a baixa pressão — saída do evaporador (vapor saturado ou ligeiramente superaquecido). Escreva “1: vapor (evaporador)”. - Desenhe
como uma linha subindo para pressões maiores e deslocando-se para a direita (aumenta e ): essa é a compressão, que na prática aumenta a entalpia de para e a pressão de para . No diagrama o segmento é inclinado para cima-direita. Indique “compressor”. - Marque
na região de vapor superaquecido a alta pressão. Escreva “2: vapor comprimido (superaquecido)”. - Desenhe
como uma linha quase horizontal para a esquerda (queda de entalpia a pressão constante alta): é a condensação isobárica onde o refrigerante rejeita calor e passa de vapor para líquido; no a condensação aparece movendo-se para a esquerda atravessando a região de duas fases até atingir o líquido saturado (ponto ). Indique “condensador (rejeição de calor)”. - Marque
na extremidade esquerda da campânula a alta pressão ou um pouco à esquerda dela (se houver sub-resfriamento, fica ainda mais à esquerda, em menor). - Desenhe
como uma linha vertical para baixo (queda de pressão grande, entalpia praticamente constante): o dispositivo de estrangulamento (válvula de expansão) é aproximadamente isentalpico, então em isso é um movimento vertical descendente (mesmo , menor ). Indique “válvula de expansão (isentálpico)”. - Marque
no nível de baixa pressão dentro da região de mistura (mistura líquido+vapor). - Desenhe
como uma linha horizontal para a direita ao nível de baixa pressão, atravessando a região de duas fases e terminando em (evaporação). Este é o processo no evaporador: absorção de calor a pressão constante até que o refrigerante vaporize. - Nos trechos do
escreva claramente e as pressões (nível inferior) e (nível superior).
Passo 5
Descrição detalhada dos processos termodinâmicos (o “o que acontece” em cada trecho) com fórmulas enérgicas e interpretação física:
- Processo
— compressão no compressor: - Natureza: subida de pressão de
para e aumento de entalpia de para . No ciclo real a compressão é irreversível (há atrito, aquecimento, perdas), então a entropia aumenta: . - Energia por unidade de massa: trabalho fornecido ao fluido pelo compressor é
. - Observação prática: o compressor tem eficiência adiabática (isentropic efficiency)
, que relaciona o trabalho real com o trabalho isentrópico. Se fosse isentrópico ideal, .
- Natureza: subida de pressão de
- Processo
— condensação no condensador: - Natureza: rejeição de calor a pressão aproximadamente constante
; o refrigerante sai da condição de vapor superaquecido para líquido saturado ou sub-resfriado. Enthalpia cai de para . - Calor rejeitado por unidade de massa:
. - Observação prática: pode haver sub-resfriamento para melhorar a eficiência (reduzir o vapor após expansão) — isso desloca
mais à esquerda no (menor ).
- Natureza: rejeição de calor a pressão aproximadamente constante
- Processo
— expansão (válvula de expansão / capilar / dispositivo de estrangulamento): - Natureza: processo de estrangulamento praticamente isentalpico, isto é
. A pressão cai de para . A qualidade de vapor cai e aparece uma mistura líquido+vapor fria no ponto . - Entropia aumenta (
) mesmo com constante — o processo é irreversível.
- Natureza: processo de estrangulamento praticamente isentalpico, isto é
- Processo
— evaporação no evaporador: - Natureza: absorção de calor a pressão aproximadamente constante
; o refrigerante passa de mistura para vapor saturado e, se houver superaquecimento, para vapor superaquecido em . Enthalpia cresce de para . - Calor absorvido por unidade de massa:
. - Observação prática: superaquecer o vapor na saída do evaporador evita entrada de líquido no compressor (protegendo o compressor), mas aumenta
e consequentemente o trabalho do compressor por massa.
- Natureza: absorção de calor a pressão aproximadamente constante
- Balanço energético do ciclo por unidade de massa:
- Trabalho líquido de compressor por massa:
. - Calor útil retirado do espaço frio (capacidade frigorífica):
. - Coeficiente de desempenho (COP) do refrigerador:
. - Calor rejeitado ao ambiente:
e deve satisfazer energia: (primeira lei por massa).
- Trabalho líquido de compressor por massa:
Passo 6
Como representar perdas e características “reais” nos diagramas (detalhes práticos para o desenho):
- Compressão não-isentrópica: no
desenhar com inclinação para a direita (aumenta ). No desenhar com maior deslocamento horizontal (maior ) do que no caso isentrópico teórico. - Superaquecimento: no
, coloque um pouco à direita da linha de vapor saturado; no o ponto estará à direita do ponto de vapor saturado de baixa pressão. - Sub-resfriamento: se houver sub-resfriamento no condensador, coloque
à esquerda da linha de líquido saturado no e com menor no . - Queda de pressão nos trocadores: indicar pequenas diferenças de pressão entre entrada/saída do evaporador e do condensador (pequenas setas ou rótulos
), que deslocam ligeiramente as linhas de evaporação/condensação. - Variação de eficiência: se quiser comparar ciclo ideal vs real, desenhe a trajetória isentrópica hipotética de
até um ponto (onde ) e mostre que o real fica à direita (maior e ).
Passo 7
Exemplos numéricos e uso das fórmulas (pequena aula prática para provas):
- Suponha dados simplificados:
, , , (isen-talpicamente igual). - Então
. -
. -
.
- Então
- Observação didática: na prova, se pedirem COP ou trabalho, basta ler
nos pontos do diagrama e aplicar as subtrações. Se o ciclo for “real”, use os dados (ou dados de tabelas) correspondentes aos pontos reais (superaquecimento/sub-resfriamento incluídos).
Passo 8
Como rotular e anotar os diagramas para a prova (checklist rápido):
- Em ambos diagramas escreva claramente:
, , , com setas do sentido do fluxo. - Anote próximo a cada trecho o equipamento correspondente:
-
: “compressor” (seta indicando direção do fluxo). -
: “condensador — rejeição de calor ” (indicar ). -
: “válvula de expansão — ” (desenhar linha vertical em ). -
: “evaporador — absorção de calor ” (indicar ).
-
- No
, desenhe a campânula e marque as linhas de saturação; indique “zona líquida”, “zona de mistura”, “zona de vapor superaquecido”. - No
, escreva as pressões e como linhas horizontais de referência e indique que a expansão é vertical (isentálpica).
Passo 9
Comentário prático final — por que isso importa na prova e como usar esse conhecimento:
- O
é o diagrama mais prático para cálculos: subtrações de dão diretamente trabalho e calor por massa. - O
é ótimo para visualizar irreversibilidades (aumento de ) e para ver superaquecimento/sub-resfriamento de maneira intuitiva. - Em uma prova: desenhe rápido o esqueleto (campânula, quatro pontos, setas, equipamentos), rotule os
e se tiver dados; calcule com e comente efeitos de superaquecimento/sub-resfriamento se pedirem otimização ou consequências práticas.
Resposta
Estado
: saída do evaporador — vapor saturado ou ligeiramente superaquecido.
Estado : saída do compressor — vapor comprimido (superaquecido); processo
: compressão não-isentrópica (trabalho
).
Estado : saída do condensador — líquido saturado ou sub-resfriado; processo
: condensação isobárica (rejeição de calor
).
Estado : saída da válvula de expansão — mistura líquido+vapor a baixa pressão; processo
: estrangulamento aproximadamente isentalpico (
, entropia aumenta).
Processo : evaporação isobárica (absorção de calor
).
Equipamentos: compressor entre e
; condensador entre
e
; válvula de expansão entre
e
; evaporador entre
e
.
Fórmula útil: .
Estado
Estado
Estado
Processo
Equipamentos: compressor entre
Fórmula útil: