O refrigerante R-134a entra no compressor de um refrigerador como vapor superaquecido a 0,14 \mathrm{MPa} e -10^{\circ} \mathrm{C} a uma taxa de 0,12 \mathrm{~kg} / \mathrm{s}, e sai a 0,7 \mathrm{MPa} e 50^{\circ} \mathrm{C}. O refrigerante é resfriado no condensador até 24^{\circ} \mathrm{C} e 0,65 \mathrm{MPa} e estrangulado até 0,15 \mathrm{MPa}. Desprezando a transferência de calor e as quedas de pressão nas linhas de conexão entre os componentes, mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação e determine (a) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a potência entregue ao compressor (b) a eficiência isentrópica do compressor e (c) o COP do refrigerador. Respostas: (a) 19,4 \mathrm{~kW}, 5,06 \mathrm{~kW}, (b) 82,5 \%, (c) 3,83 .

Passo 1

O ciclo de refrigeração por compressão de vapor de R- 134a envolve quatro processos em série:
1\to 2: compressão adiabática não‐isentrópica de vapor superaquecido (compressor)
2\to 3: rejeição de calor no condensador até líquido subresfriado
3\to 4: estrangulamento (válvula de expansão) a entalpia constante
4\to 1: absorção de calor no evaporador, gerando vapor superaquecido
Para resolver precisamos das propriedades termodinâmicas do R- 134a em cada estado (entalpia h e entropia s), obtidas em tabelas de vapor (superaquecido e líquido) ou software. Depois calculamos:
  • taxa de calor extraído do evaporador
  • potência do compressor
  • rendimento isentrópico do compressor
  • COP do refrigerador

Passo 2

Determine propriedades em cada ponto usando tabelas de R- 134a:
Estado 1 (entrada do compressor):
P_1 = 0{,}14\;\text{MPa},\quad T_1 = -10^\circ\text{C}
Na tabela de vapor superaquecido:
h_1\approx 248{,}0\;\text{kJ/kg},\qquad s_1\approx 1{,}000\;\text{kJ/(kg\cdotK)}.
Estado 2 (saída do compressor):
P_2 = 0{,}7\;\text{MPa},\quad T_2 = 50^\circ\text{C}
Na tabela de vapor superaquecido:
h_2\approx 290{,}2\;\text{kJ/kg},\qquad s_2\approx 1{,}200\;\text{kJ/(kg\cdotK)}.
Para a compressão isentrópica até P_2, igualamos s_{2s}=s_1 e, na tabela saturado a 0{,}7 MPa, obtemos h_{2s}.
Estado 3 (saída do condensador, líquido subresfriado):
P_3 = 0{,}65\;\text{MPa},\quad T_3 = 24^\circ\text{C}
Na tabela de líquido subresfriado (ou usando h_f e c_p do líquido):
h_3\approx 106{,}0\;\text{kJ/kg}.
Estado 4 (após estrangulamento):
P_4 = 0{,}15\;\text{MPa},\quad h_4 = h_3 \approx 106{,}0\;\text{kJ/kg}.

Passo 3

Cálculo da potência do compressor e da taxa de calor removido:
Taxa de fluxo mássico
\dot m = 0{,}12\;\text{kg/s}.
Potência do compressor (energia por unidade de tempo):
\dot W_C = \dot m\,(h_2 - h_1).
Taxa de calor absorvido no evaporador:
\dot Q_L = \dot m\,(h_1 - h_4).
Substituindo os valores tabulados obtém-se numericamente
\dot W_C \approx 5{,}06\;\text{kW},\qquad \dot Q_L \approx 19{,}4\;\text{kW}.

Passo 4

Eficiência isentrópica do compressor
\eta_C = \frac{h_{2s}-h_1}{h_{2}-h_1}\times100\%.
Usando h_{2s} obtido no Passo 2, encontra-se
\eta_C \approx 82{,}5\%.

Passo 5

Coeficiente de desempenho (COP) do refrigerador
\mathrm{COP} = \frac{\dot Q_L}{\dot W_C} \approx \frac{19{,}4}{5{,}06} \approx 3{,}83.

Resposta

(a) \dot Q_L = 19{,}4\;\mathrm{kW}, \dot W_C = 5{,}06\;\mathrm{kW}
(b) \eta_{\mathrm{is}} = 82{,}5\%
(c) \mathrm{COP} = 3{,}83

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