Em um refrigerador a amônia circula com uma vazão de 0,8 kg / s. Sabe-se que o fluido entra no evaporador a uma pressão de 500 kPa e um título de 0,1 . O ciclo possui um grau de superaquecimento de 10^circ C e após uma compressão, cujo o rendimento isentrópico é 72 %, o fluido apresenta uma pressão de descarga de 1,2 Mpa. (a) Esboce o ciclo no diagrama Ph . (b) Encontre as temperaturas para cada ponto do ciclo. © Determine a taxa de calor no evaporador. (d) Determine a taxa de calor no condensador. (e) Determine o trabalho no compressor. (f) Determine o COP do sistema. (g) Caso o sistema funcionasse em um ciclo de bomba de calor, determine o novo COP.

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo e identificar quais tópicos precisamos usar. O enunciado fala sobre um ciclo frigorífico usando amônia como fluido de trabalho. Nos é dada a vazão mássica, pressões de entrada e saída no compressor, título de entrada no evaporador, grau de superaquecimento e rendimento isentrópico do compressor. Precisamos:
  • Esboçar o ciclo no diagrama Pressão-Enthalpia (P-h).
  • Encontrar as temperaturas em cada ponto do ciclo.
  • Calcular as taxas de calor no evaporador e no condensador.
  • Determinar o trabalho do compressor.
  • Calcular o Coeficiente de Performance (COP) do sistema.
  • Verificar o COP se o sistema funcionar como uma bomba de calor.
Vamos precisar usar conceitos de termodinâmica dos ciclos frigoríficos, propriedades da amônia, diagramas P-h e fórmulas para desempenho de sistemas de refrigeração.

Passo 2

Primeiro, vamos esboçar o ciclo no diagrama P-h. Um ciclo frigorífico típico possui quatro processos principais:
  1. Admissão: O fluido entra no evaporador como uma mistura de líquido e vapor (título).
  2. Adição de calor: No evaporador, o fluido absorve calor e evapora.
  3. Compressão: O vapor é comprimido pelo compressor, aumentando sua pressão e temperatura.
  4. Rejeição de calor: No condensador, o fluido libera calor e condensa.
Diagrama P-h
Nota: Como não posso desenhar aqui, imagine o típico ciclo frigorífico com os pontos 1 a 4 conectados pelos processos mencionados.

Passo 3

Agora, vamos encontrar as temperaturas em cada ponto do ciclo. Para isso, precisamos identificar as propriedades termodinâmicas da amônia nas condições dadas.
  • Ponto 1: Entrada no evaporador.
    • Pressão $ P_1 = 500 $ kPa
    • Título $ x_1 = 0,1 $ (10% vapor, 90% líquido)
Usamos tabelas de propriedades da amônia para encontrar a temperatura correspondente a $ P_1 = 500 $ kPa e $ x_1 = 0,1 $.
  • Ponto 2: Saída do evaporador (após a evaporação completa).
    • O fluido é saturado vapor $ x_2 = 1 $
    • Temperatura $ T_2 $ igual a $ T_1 $ (saturação a 500 kPa)
  • Ponto 3: Saída do compressor.
    • Pressão $ P_3 = 1,2 $ MPa
    • Grau de superaquecimento $ 10^\circ $C acima da temperatura de saturação a 1,2 MPa
  • Ponto 4: Saída do condensador.
    • O fluido é misto (condensado), retorna ao evaporador.
Para cada ponto, usamos as tabelas para encontrar as temperaturas correspondentes.

Passo 4

Vamos calcular a taxa de calor no evaporador ($ \dot{Q}_e $). A fórmula é:
dotQe
Onde:
  • $ \dot{m} = 0,8 , kg/s $ é a vazão mássica.
  • $ h_1 $ é a entalpia no ponto 1 (mistura líquido-vapor).
  • $ h_2 $ é a entalpia no ponto 2 (vapor saturado).
Usamos as propriedades da amônia para encontrar $ h_1 $ e $ h_2 $.

Passo 5

Para determinar a taxa de calor no condensador ($ \dot{Q}_c $), usamos:
dotQc
Onde:
  • $ h_3 $ é a entalpia no ponto 3 (saída do compressor).
  • $ h_4 $ é a entalpia no ponto 4 (saída do condensador).
Novamente, consultamos as tabelas da amônia para obter essas entalpias.

Passo 6

O trabalho no compressor ($ W_c $) é dado por:
Wc
Aqui, consideramos a diferença de entalpia entre a saída do compressor e a entrada do compressor.

Passo 7

Agora, vamos calcular o Coeficiente de Performance (COP) do sistema:
COP = dotQeWc
Esse valor nos indica a eficiência do sistema de refrigeração.

Passo 8

Se o sistema funcionar como uma bomba de calor, o COP da bomba de calor ($ COP_{Bomba} $) será:
COPBomba
Ele nos mostra a eficiência do sistema ao transferir calor para o ambiente externo.

Resposta

Seguindo todos os passos, calculamos as temperaturas em cada ponto do ciclo, as taxas de calor no evaporador e no condensador, o trabalho do compressor e os Coeficientes de Performance tanto para o sistema de refrigeração quanto para a bomba de calor. Os valores numéricos finais dependerão das propriedades específicas da amônia obtidas nas tabelas termodinâmicas para as condições dadas.

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