{ }^{\mathrm{Ex}_{\mathrm{Fe}}} \mathrm{FiO}_{\mathrm{CO}_{2}} \mathrm{O}_{2}\left(\mathrm{~S}, \mathrm{O}_{\text {pontos }}\right) : De forma sucinta e justificada, descreva os principais componentes de um ciclo de refrigeração. Comente também sobre quais os principais impactos de se considerar um compressor com eficiência isentrópica de aproximadamente 80 \%, quando comparado com um ciclo ideal.

Passo 1

O enunciado pede para descrever sucintamente e justificar os principais componentes de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor e comentar os impactos de um compressor com eficiência isentrópica de aproximadamente 80\% em comparação ao ciclo ideal. Vamos precisar entender a função de cada componente (compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador) e usar a definição de eficiência isentrópica para avaliar o aumento de trabalho e a queda no coeficiente de desempenho.

Passo 2

O compressor recebe o refrigerante na saída do evaporador em baixa pressão e baixa temperatura e o comprime até a pressão de condensação, elevando sua temperatura. No ciclo ideal a compressão é isentrópica (adiabática e reversível), mas num compressor real há irreversibilidades, de modo que o trabalho real é maior.

Passo 3

O condensador é um trocador de calor onde o fluido sai do compressor quente e à alta pressão, rejeitando calor q_{\text{out}} para o meio ambiente até se condensar. Nesse processo a pressão se mantém constante e o refrigerante passa do estado vapor quente para líquido saturado.

Passo 4

O dispositivo de expansão (válvula de expansão ou tubo capilar) promove uma estrangulamento adiabático, reduzindo a pressão do líquido saturado para a pressão de evaporação. Como é um processo de entalpia constante, o refrigerante chega parcialmente vaporizado ao evaporador em baixa temperatura e pressão.

Passo 5

No evaporador o refrigerante em baixa pressão e temperatura absorve calor q_{\text{in}} do ambiente refrigerado e se evapora completamente. A pressão se mantém aproximadamente constante e o ciclo fecha quando o vapor retorna ao compressor.

Passo 6

A eficiência isentrópica do compressor é definida por
\eta_s = \frac{h_{2s} - h_1}{h_2 - h_1},
onde h_1 é a entalpia na entrada, h_{2s} a entalpia na saída se a compressão fosse isentrópica, e h_2 a entalpia real de saída. Para \eta_s = 0,8 temos
h_2 = h_1 + \frac{h_{2s}-h_1}{0,8},
isto é, o salto entálpico real (h_2 - h_1) é 25\% maior que no ciclo ideal.

Passo 7

Como o trabalho do compressor é w_{\text{comp}} = h_2 - h_1, um \eta_s menor faz w_{\text{comp,real}}>w_{\text{comp,ideal}}. Consequentemente o coeficiente de desempenho
\mathrm{COP} = \frac{q_{\text{in}}}{w_{\text{comp}}}
diminui, pois o numerador q_{\text{in}} (capacidade frigorífica) quase não varia enquanto o denominador cresce. Além disso há maior temperatura de descarga e maior carga térmica no condensador.

Resposta

Os principais componentes de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor são:
  • Compressor: eleva pressão e temperatura do refrigerante.
  • Condensador: rejeita calor ao meio ambiente, condensando o refrigerante.
  • Dispositivo de expansão: faz estrangulamento adiabático, reduzindo pressão e temperatura do líquido.
  • Evaporador: absorve calor do ambiente refrigerado e evapora o refrigerante.
Considerar um compressor com eficiência isentrópica de cerca de 80\% implica que o trabalho real de compressão é aproximadamente 25\% maior que no ciclo ideal, o que aumenta o consumo de energia e reduz o coeficiente de desempenho (COP). Além disso, a maior temperatura de descarga exige um condensador mais robusto.

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