1- Dispoe-se de um sistema de refrigeração dotado de um compressor alternativo aberto, um condensador resfriado a ar, uma válvula de expansão termostática de equalização externa, com carga normal, e um evaporador de expansão direta, cuja capacidade por diferença unitária de temperatura é de
componentes do sistema estão corretamente dimensionados e operam em equilíbrio, com temperatura de condensação de
, temperatura de evaporação de
, superaquecimento de 10 K e subresfriamento de
câmara frigorifica atendida por este sistema de refrigeração deve ser mantida a
, e o sistema trabalha com R-22.Pede-se:
a) Quantos quilogramas de carne de carneiro este sistema é capaz de resfriar em uma hora, desde a temperatura de
até a temperatura da câmara .Considere que o produto é a única carga térmica deste sistema de refrigeração.
Produto
Calor específico
antes do congelamento
Calor especifico
após o congelamento
Calor latente
do congelamento
Temperatura
de congelamento
carne de carneiro
b) Determine a potência de acionamento do compressor deste sistema de refrigeração, em kW, considerando que o rendimento isentrópico do compressor é constante e igual a 82%
c) Considere que o fluido refrigerante deste sistema foi substituído pelo R404a, porém o dispositivo de expansão , além de não ter sido substituído, não foi reajustado para operar com o R404a.Determine o superaquecimento que será mantido pelo dispositivo de expansão, bem como a temperatura de descarga do compressor após a substituição do fluido refrigerante original pelo R404a, considerando que o rendimento isentrópico do compressor é constante e igual a 82%.
d) Questão sobre o rendimento volumétrico em função da razão de pressão.Apender a fazer
a) Quantos quilogramas de carne de carneiro este sistema é capaz de resfriar em uma hora, desde a temperatura de
| Produto |
|
|
|
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||||||||
| carne de carneiro |
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c) Considere que o fluido refrigerante deste sistema foi substituído pelo R404a, porém o dispositivo de expansão , além de não ter sido substituído, não foi reajustado para operar com o R404a.Determine o superaquecimento que será mantido pelo dispositivo de expansão, bem como a temperatura de descarga do compressor após a substituição do fluido refrigerante original pelo R404a, considerando que o rendimento isentrópico do compressor é constante e igual a 82%.
d) Questão sobre o rendimento volumétrico em função da razão de pressão.Apender a fazer
Passo 1
O enunciado dá um sistema de refrigeração com as seguintes condições e pede quatro coisas. Vou listar tudo com calma, sem resolver ainda, para você ter claro o que foi informado e o que é pedido.
Informações do enunciado:
- Tipo de fluido original:
. - Temperatura de condensação (saturada):
- Temperatura de evaporação (saturada):
- Superaquecimento ao vapor na sucção:
- Subresfriamento no líquido:
- Evaporador de expansão direta com capacidade por diferença unitária de temperatura:
- Câmara frigorífica mantida a:
- O produto (única carga térmica) é carneiro; propriedades dadas (na tabela):
- Calor específico antes do congelamento:
- (Não precisamos do calor latente nem do cp após congelamento porque a câmara fica a
— acima do ponto de congelamento.) - Temperatura inicial do produto:
- Temperatura final (câmara):
- Calor específico antes do congelamento:
O que se pede:
a) Quantos quilogramas de carneiro podem ser resfriados em 1 hora de até
(somente carga do produto)?
b) Potência de acionamento do compressor (kW) considerando rendimento isentrópico do compressor .
c) Supondo que o fluido foi trocado por e o dispositivo de expansão não foi substituído nem reajustado: determine o superaquecimento que o dispositivo manterá e a temperatura de descarga do compressor após essa substituição (novamente com
).
d) Explicação / aprendizado: como determinar o rendimento volumétrico (eficiência volumétrica) em função da razão de pressão — quero que você aprenda a fazer isso.
a) Quantos quilogramas de carneiro podem ser resfriados em 1 hora de
b) Potência de acionamento do compressor (kW) considerando rendimento isentrópico do compressor
c) Supondo que o fluido foi trocado por
d) Explicação / aprendizado: como determinar o rendimento volumétrico (eficiência volumétrica) em função da razão de pressão — quero que você aprenda a fazer isso.
Observações importantes antes de começar:
- Para obter entalpias exatas e temperaturas de descarga exatas para (b) e (c) costuma-se usar tabelas/softwares de propriedades termodinâmicas (tarefas de engenharia). Vou mostrar o método passo a passo e também darei resultados estimados numéricos usando aproximações razoáveis quando for necessário. Quando eu usar um valor de tabela, eu vou dizer explicitamente que é um valor tomado de tabela típica (ou uma aproximação), e que o resultado exato exigiria consultar uma tabela ou software refrigerante.
- Vou ser bem didático: cada fórmula que eu usar será explicada, com o que cada símbolo significa e como aplicar na prova.
Passo 2
Resolvendo (a): primeiro calculamos a capacidade frigorífica do evaporador e depois a energia necessária por kg de carne.
- Calcular a capacidade frigorífica do evaporador.
- A capacidade por diferença unitária de temperatura é
. - A diferença de temperatura útil entre a câmara (
) e a temperatura de evaporação ( ) é
- Logo a potência frigorífica fornecida pelo evaporador é
Explicação curta: essa expressão significa que para cada grau de diferença o evaporador remove
; com 7 graus de diferença remove
.
- Converter o calor específico do produto para unidades compatíveis (kJ/kg·K).
- O calor específico dado é
- Sabendo que
, temos
Vou arredondar a
para as contas.
- Energia necessária para resfriar 1 kg de
até .
- A variação de temperatura do produto é
- Energia térmica por kg:
Explicação:
é a energia que precisa ser retirada de cada kg.
- Potência do evaporador em kJ/h (energia removida por hora) e massa refrigerada por hora:
-
Em 1 h (3600 s) a energia removida é
- Massa de produto resfriada em 1 h:
Interpretação: com a capacidade dada, o sistema consegue resfriar cerca de
de carneiro por hora de
para
.
Passo 3
Resolvendo (b): potência de acionamento do compressor (método e cálculo aproximado). Vou explicar passo a passo como se faz na prova e depois apresentar um resultado numérico aproximado.
Plano geral (o que precisamos fazer):
- Determinar o efeito frigorífico por kg de refrigerante
(entalpia na entrada do evaporador menos entalpia na saída da válvula), obtido a partir das propriedades do refrigerante nas condições dadas. Aqui é a entalpia específica em . - A partir de
e da potência do evaporador obter o fluxo mássico de refrigerante:
- Determinar o trabalho específico real do compressor
. Se é a entalpia na entrada do compressor (vapor superaquecido) e a entalpia após compressão isentrópica até a pressão do condensador, então o trabalho isentrópico por kg é . Com eficiência isentrópica temos o trabalho real por kg:
- Potência do compressor:
Observações práticas: para obter
,
,
(líquido condensado) e
(após válvula) normalmente consulta-se a tabela termodinâmica do
nas temperaturas/pressões indicadas. Aqui eu vou mostrar o procedimento e, para obter um número prático, uso aproximações típicas da engenharia de refrigeração que dão resultados próximos do esperado em provas. Vou explicitar quando uso aproximação.
Estados do ciclo (numeração típica que vou usar):
- Estado 1: saída do evaporador / entrada do compressor — vapor superaquecido a
- Estado 2s: saída do compressor (estado isentrópico) — pressão do condensador correspondente a
saturado. - Estado 2: saída real do compressor (após considerar
). - Estado 3: saída do condensador (líquido subresfriado) — temperatura do líquido
- Estado 4: após a válvula de expansão (entalpia aproximada
, processo isentrópico em termos de entalpia é praticamente desprezível ao atravessar válvula).
Valores práticos aproximados (nota: estes valores normalmente se lêem em tabela; estou usando valores típicos para um ciclo R-22 com essas temperaturas — para prova, se tabelas estiverem disponíveis, use os dados exatos delas):
Vou adotar um conjunto típico de entalpias para R-22 (valores aproximados, retirados de tabelas padrão — estou indicando que são valores típicos; para exercício em prova substitua pelos valores da sua tabela):
- Entalpia do vapor saturado a
(sem superaquecimento): - Como temos superaquecimento de
, a entalpia no estado 1 (vapor superaquecido a ) aumenta um pouco; valor típico: - Entalpia do líquido saturado a
: Com subresfriamento de (líquido a ) mantemos - Assim, após expansão isenthalpica temos
Com estes números o efeito frigorífico por kg de refrigerante é
Comentário: esse valor está na ordem esperada para R-22 em temperaturas de evaporação baixas. Se você usar tabela exata, vai obter um
muito próximo.
Agora o fluxo mássico do refrigerante:
Convertendo para kg/h (opcional):
de refrigerante a circular.
Trabalho isentrópico específico: precisamos de
. Pelo método normal consultaria a tabela: sabendo a entropia em 1 (porque compressão isentrópica) e a pressão de condensação correspondente a
, lê-se
. Como aproximação prática (sem a tabela nesta resolução escrita) vamos estimar o trabalho isentrópico por kg
na ordem de
para estas condições — esse é um valor típico para R-22 com condensação em
e evaporação em
.
Com
o trabalho real por kg é
Finalmente, potência do compressor:
Interpretação e observações:
- O valor numérico depende diretamente dos valores de entalpia lidos nas tabelas. Se você na prova tiver tabela do
, faça exatamente os passos: obtenha (superaquecido a ), (líquido a ), calcule , calcule , leia (compressão isentrópica até pressão de condensação) e calcule , então . - Minha estimativa acima deu
. Usando as tabelas exatas você obterá um número muito próximo (tipicamente entre e para essas condições).
Passo 4
Discussão e resposta prática para (b) — como proceder na prova e checar coerência:
- Resumo rápido do procedimento que você deve fazer na prova com tabela:
- Ler em tabela de
: -
em (vapor superaquecido; ou dada a pressão de evaporação correspondente a , ler entropia e usar o gráfico). -
em (líquido subresfriado). -
usando s1 e pressão de condensação (ou T_cond).
-
- Calcular
, , , e .
- Resultado numérico aproximado (com as aproximações que mostrei):
Esse é o valor que eu recomendo apresentar se você tiver que entregar um número e não tiver as tabelas exatas à mão; se tiver as tabelas, substitua os passos numéricos por leituras diretas das entalpias e calcule.
Passo 5
Resolvendo (c): substituição do fluido por
sem substituição nem reajuste do dispositivo de expansão — análise do que é possível determinar e estimativa.
Explicação didática do que o dispositivo faz:
- Uma válvula termostática de expansão com equalização externa mantém um setpoint de superaquecimento: ela mede a temperatura do vapor na saída do evaporador (por meio de uma bulbo no tubo de sucção) e regula a abertura para manter uma diferença entre a temperatura do bulbo (temperatura do vapor) e a temperatura de saturação do evaporador (superaquecimento desejado). O setpoint é uma configuração mecânica (ex.: 10 K).
- Se o dispositivo não foi substituído e não foi reajustado, o setpoint mecânico (por exemplo 10 K) permanece. Em princípio, a válvula tentará manter o mesmo superaquecimento em temperatura (K), independentemente do refrigerante. Contudo, o comportamento de fluxo (ou seja, a quantidade de massa que passa para atender essa regulagem) depende das propriedades do refrigerante (densidade, viscosidade, queda de pressão, etc.). Portanto:
- O superaquecimento que será mantido tende a ser o mesmo setado (a menos que o fluido mude drasticamente as características e a válvula não consiga controlar), ou seja, será aproximadamente
. - Para calcular com precisão o novo superaquecimento seria necessário conhecer a curva característica da válvula (relação entre abertura/fluxo e queda de pressão) e as propriedades termodinâmicas do
às pressões de sucção e descarga. Sem esses dados não há como determinar exatamente um novo valor de superaquecimento. Portanto, do ponto de vista prático: espera-se que o dispositivo tente manter a mesma diferença em K; logo o superaquecimento provavelmente ficará próximo de . Se a pergunta espera um valor numérico sem tabelas da válvula, a resposta razoável é: o setpoint se mantém — superaquecimento .
- O superaquecimento que será mantido tende a ser o mesmo setado (a menos que o fluido mude drasticamente as características e a válvula não consiga controlar), ou seja, será aproximadamente
Agora, temperatura de descarga do compressor após substituição (estimativa):
- Para estimar a temperatura de descarga precisamos do estado de entrada do compressor (temperatura e pressão) e da razão de compressão (pressão de descarga / pressão de sucção) para
. - Se assumirmos que o conjunto opera com as mesmas temperaturas saturadas de evaporação e condensação (
e ) e que a válvula mantém de superaquecimento, então a temperatura na entrada do compressor será novamente . - Para estimar a temperatura de descarga sem tabelas, uma abordagem prática de engenharia usa a relação isentrópica para um gás com expoente
(aproximação polytropic/isentrópica), com:
onde
em Kelvin,
é razão de pressão (condensação/evaporação) e
é a razão de capacidades caloríficas adiabáticas aparentes (para vapores de refrigeração um valor típico usado em estimativas é
). O trabalho real aumenta pela eficiência isentrópica:
Vou fazer uma estimativa numérica ilustrativa (atenção: é uma estimativa, para prova use dados de propriedades se houver):
- Assumo uma razão de pressão típica para
entre e : (valor representativo — tabelas dão o valor exato). - Assumo
. - Entrada do compressor
Cálculo:
Com
:
ou seja
Interpretação:
- Essa é uma estimativa da temperatura de descarga do compressor com
assumindo que o superaquecimento na sucção permaneceu em e que a razão de pressão é cerca de . O valor estimado é . - Para determinar com precisão o novo superaquecimento (caso a válvula não alcance o setpoint ou mude de comportamento) e a temperatura de descarga exata, você precisaria:
- Característica da válvula (curva fluxo x queda de pressão / abertura).
- Propriedades termodinâmicas detalhadas do
(tabelas ou software) para ler entalpias e pressões correspondentes. - Se a carga de refrigerante mudou, a pressão no evaporador e no condensador podem variar — tudo isso impacta o resultado.
Conclusão para (c):
- Superaquecimento mantido pelo dispositivo: aproximadamente o mesmo setado, isto é
(a menos que a válvula não consiga controlar corretamente por diferenças de fluido). Não é possível dar um valor exato sem dados da válvula. - Temperatura de descarga do compressor com
(estimativa com as hipóteses acima):
Passo 6
Resolvendo (d): como aprender a fazer — rendimento volumétrico em função da razão de pressão (derivação e interpretação). Vou explicar como se resolve esse tipo de questão, passo a passo, com fórmulas e um pequeno exemplo numérico.
Contexto físico:
- Em compressores alternativos (pistão), o rendimento volumétrico
mede que fração do volume deslocado teoricamente (varrido pelo pistão) entra efetivamente como vapor na sucção. A perda é principalmente devido ao volume de folga/clearance que permanece cheio de gás após o final da descarga e que se expande parcialmente durante a aspiração seguinte (blowdown/clearance effects). - A dependência da razão de pressão aparece porque, após a descarga, uma fração do gás em volume de folga permanece à pressão de descarga e, durante a sucção, esse gás se expande até a pressão de sucção; quanto maior a razão de pressão
, maior a fração de gás que permanece ocupando volume e que não contribui para a sucção.
Parâmetros e definições:
-
: volume varrido (swept volume) do pistão — volume que o pistão desloca (por curso). -
: volume de folga (clearance volume) — volume que fica entre pistão e cabeçote no ponto morto superior. -
: razão de folga (clearance volumetric ratio): - Pressões:
= pressão de sucção (evaporação), = pressão de descarga (condensação). - Processo de expansão do gás no clearance pode ser considerado politrópico com expoente
(frequentemente entre 1 e 1{,}3). é isotérmico, é adiabático ideal; em engenharia usa-se um experimental ou .
Derivação (passo a passo):
- No final da compressão, a pressão é
e parte do volume total está no clearance . Após a descarga, quando o pistão desce, o gás remanescente no clearance expande desde pressão até a pressão de sucção . A expansão do volume remanescente obedece (politrópico):
onde
é o volume do gás remanescente quando a pressão alcança
. Portanto
- Quando a sucção começa, o volume útil disponível para entrada de gás até completar o curso é
(porque do clearance já está ocupado pelo gás a e não pode permitir mais entrada para ocupar esse espaço). Assim, a mass a efetivamente admitida por curso (proporcional a volume admitido a pressão de sucção) é proporcional a . - A eficiência volumétrica é a fração do volume varrido que efetivamente é admitida:
Substituindo
e
:
Algumas formulações incluem um termo adicional +C para acomodar definição alternativa; a forma mais comum (quando se considera o volume total na referência) é:
Essa forma aparece se a referência para volumes for tratada de modo ligeiramente diferente; o importante é o comportamento:
decresce quando
aumenta.
Interpretação:
-
maior (muita folga) reduz . -
maior (maior razão de pressão) reduz porque mais gás permanece no clearance na pressão alta e não é substituído por gás fresco. - O expoente
controla como a pressão decai com expansão: quanto mais próximo de 1 (isotérmico), menor é a penalidade; quanto mais alto (adiabático), maior é a penalidade.
Pequeno exemplo numérico (para fixar):
- Suponha
(5% de clearance), e .
Calcule
(aprox.), então
Ou seja,
— isto ilustra que mesmo com 5% de clearance e razão de pressão alta a eficiência volumétrica pode ainda ser aceitável, mas cai com aumento da razão de pressão.
Como aplicar na prova:
- Tenha claro
, meça/consulte e , escolha (ou use se adiabático) e aplique a fórmula. Explique as hipóteses (politrópico) e, se possível, discuta sensibilidade (como muda se muda, etc.). Isso geralmente ganha ponto na prova.
Resposta
a)
(aproximadamente).
b) (estimativa; para valor exato leia entalpias de tabelas de
e aplique o procedimento explicado).
c) Superaquecimento mantido pelo dispositivo: aproximadamente (setpoint original) — não é possível determinar exatamente sem a curva/característica da válvula; Temperatura de descarga do compressor com
(estimativa sob as hipóteses dadas): aproximadamente
d) Fórmula e procedimento para eficiência volumétrica:
b)
c) Superaquecimento mantido pelo dispositivo: aproximadamente
d) Fórmula e procedimento para eficiência volumétrica:
onde
(razão de clearance),
é a razão de pressão, e
é o expoente politrópico (explicado no passo 6).