(7,0 Pontos) Um refrigerador que usa o R-12 como fluido de trabalho mantém o espaço refrigerado a
um ambiente a
. Você deve projetar novamente esse refrigerador substituindo o R-12 pelo refrigerante-134a, que não prejudica a camada de ozônio. Quais modificações nos níveis de pressão poderiam ser sugeridas para esse novo sistema? Compare o COP do novo sistema com o COP do sistema antigo.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas claras:
- Que modificações nos níveis de pressão eu devo sugerir ao substituir o fluido R-12 pelo R-134a, mantendo as temperaturas de projeto do ciclo: evaporador a
e condensador a . - Que eu compare o coeficiente de desempenho (COP) do sistema novo (R-134a) com o sistema antigo (R-12).
Informações dadas e fixas (não vou perguntar nada a mais):
- Temperatura de evaporação:
. - Temperatura de condensação:
. - Vamos substituir R-12 por R-134a mantendo essas temperaturas.
- Pressões de evaporação e condensação para cada refrigerante serão aquelas de saturção a essas temperaturas (valores de tabela).
Observação importante: a solução que eu vou desenvolver usa o ciclo de compressão de vapor ideal (saturado à saída do evaporador, condensado como líquido saturado, compressão adiabática reversível / isentrópica). Vou explicar todos os conceitos e fórmulas necessárias para que você consiga reproduzir o raciocínio na prova.
Passo 2
O que são “níveis de pressão” num refrigerador e como obtê‑los:
- No ciclo de compressão de vapor simples, o evaporador trabalha na pressão de saturação correspondente a
. Essa é a pressão baixa do sistema: . - O condensador trabalha na pressão de saturação correspondente a
. Essa é a pressão alta do sistema: (,p_{cond}=P{sat}(T{cond}),. - Portanto, ao trocar de fluido, o que muda é
para as mesmas temperaturas: devemos ajustar os componentes (válvula de expansão, ajustes de proteção, projeto do compressor) para as novas pressões saturadas do fluido escolhido.
Para responder objetivamente: preciso dos valores de
de R-12 e R-134a em
e
. Vou usar valores de tabela termodinâmica padrão (apresentarei valores aproximados típicos usados em tabelas técnicas — o procedimento para a prova é: pegar a tabela do refrigerante e ler
em cada temperatura).)
Passo 3
Valores de saturação (valores típicos de tabelas técnicas — estou explicitando porque são dados necessários para o projeto; na prova pegue os valores da tabela que o professor fornecer):
-
Para R-12 (valores de tabela aproximados):
.
. -
Para R-134a (valores de tabela aproximados):
.
.
Interpretação desses números:
- Ao trocar R-12 por R-134a, tanto a pressão de evaporação quanto a de condensação aumentam para as temperaturas fixas de projeto. Ou seja, o sistema com R-134a opera em níveis de pressão mais altos (tanto low side quanto high side) do que o sistema com R-12, para as mesmas temperaturas de evaporação/condensação.
Passo 4
Explicando por que isso ocorre (aula curta, conceitual e didática):
- Cada refrigerante tem uma curva de pressão de saturação diferente
. Para uma mesma temperatura, refrigerantes diferentes têm pressões saturadas diferentes por causa de propriedades moleculares (energia intermolecular, temperatura crítica, etc.). - R-134a tem temperatura crítica menor que R-12 e curvas
deslocadas de modo que, para as temperaturas dadas, tende a ser maior que . - Consequência prática: instrumentos, tubulações e componentes devem ser dimensionados para suportar as pressões mais altas; a válvula de expansão precisa ser ajustada para a nova pressão de evaporação; o compressor deve ser adequado para operar com o novo intervalo de pressão.
Passo 5
Como comparar o COP dos dois ciclos (aula prática: passo a passo para calcular na prova):
-
Definição do COP do refrigerador (ciclo de compressão ideal):onde:
é o calor extraído no evaporador por unidade de massa ( ) e é o trabalho de compressão por unidade de massa ( ). -
No ciclo ideal (saturado à saída do evaporador, líquido saturado à saída do condensador) temos:
onde os pontos são:
-
: vapor saturado à saída do evaporador ( ), -
: vapor comprimido (isentrópico) até (encontramos impondo e ), -
: líquido saturado na saída do condensador ( ). -
Procedimento prático na prova:
- Na tabela do refrigerante, ler
e (entalpia e entropia do vapor saturado) em → esses são e . - Ler
(entalpia do líquido saturado) em → esse é . - Mantendo
e , usar a tabela (ou diagrama -s) em para obter (ou fazer interpolação se necessário). - Calcular
, e .
- Na tabela do refrigerante, ler
Passo 6
Cálculo aproximado do COP para cada refrigerante (uso de valores de tabela típicos — na prova você deve usar a tabela dada pelo professor; aqui eu uso valores aproximados representativos para ilustrar e obter a comparação numérica):
Valores aproximados tirados de tabelas típicas (apenas para exemplo numérico):
- Para R-12 em
:
, . - Para R-12 em
:
. - Compressão isentrópica até
→ leitura/interpolação em tabela: . - Calculos (R-12):
- Para R-134a em
:
, . - Para R-134a em
:
. - Compressão isentrópica até
→ leitura/interpolação em tabela: (nota: para R-134a o fica semelhante ou um pouco maior, pois a razão de compressão aumenta). - Cálculos (R-134a):
Comentário sobre os números:
- Estes cálculos usam valores aproximados de tabelas — o objetivo aqui é mostrar o procedimento e obter uma estimativa da diferença. Na prática, os valores exatos dependem de leituras/ interpolação precisas nas tabelas do refrigerante.
- Observação prática: o
para R-134a pode ser um pouco maior ou similar ao de R-12 dependendo das entropias; o fator decisivo é que (entalpia de vaporização útil para o evaporador) tende a ser menor para R-134a nas mesmas temperaturas, e a diferença de pressão (razão de compressão) tende a aumentar o trabalho do compressor — levando a um COP menor.
Passo 7
Interpretação final e recomendações práticas (o que sugerir no projeto):
- Pressões: sugerir ajuste para pressões mais altas com R-134a — numericamente, para este exemplo aproximado:
aumenta de (R-12) para (R-134a);
aumenta de (R-12) para (R-134a). - COP: neste exemplo numérico
ficou menor que . Estimativa:
e . Ou seja, uma queda de ordem na performance (valor aproximado). - Recomendações de projeto: ao fazer a troca, considere:
- Selecionar compressor compatível com as pressões mais altas e com folgas e vedação para R-134a.
- Recalibrar a válvula de expansão (ou usar válvula termostática ajustada para a nova pressão de evaporação).
- Verificar tubulação e componentes para pressões e volume específico (R-134a tem volume específico diferente, pode exigir diferente deslocamento volumétrico).
- Se possível, usar subresfriamento (subcooling) do líquido e controle adequado de sobreaquecimento (superheat) para recuperar parte do COP perdido.
Resposta
p_{ev,R-12}\approx 1{,}35\ \mathrm{bar},\ p_{cond,R-12}\approx 6{,}8\ \mathrm{bar}
p_{ev,R-134a}\approx 2{,}10\ \mathrm{bar},\ p_{cond,R-134a}\approx 7{,}9\ \mathrm{bar}
p_{ev,R-134a}\approx 2{,}10\ \mathrm{bar},\ p_{cond,R-134a}\approx 7{,}9\ \mathrm{bar}