Refrigerante 134a é utilizado como fluido de trabalho em um ciclo de refrigeração por compressão de vapor que opera em regime permanente. O refrigerante entra no compressor a 1,4 bar e
, e a pressão no condensador é de 9 bar. O líquido que sai do condensador está a
. A vazão mássica de refrigerante é de
. Determine:
(a) a potência do compressor, em kW e (b) a capacidade frigorífica, em kW e o coeficiente de desempenho.
(a) a potência do compressor, em kW e (b) a capacidade frigorífica, em kW e o coeficiente de desempenho.
Passo 1
O enunciado pede que, para um ciclo de refrigeração por compressão de vapor em regime permanente com refrigerante R134a, eu calcule: (a) a potência do compressor (em kW), (b) a capacidade frigorífica (em kW) e o coeficiente de desempenho (COP). Dados fornecidos pelo enunciado:
- Pressão de entrada do compressor:
. - Temperatura de entrada do compressor:
. - Pressão no condensador (pressão de descarga do compressor):
. - Temperatura do líquido que sai do condensador:
. - Vazão mássica de refrigerante:
.
O problema não fornece eficiência do compressor nem outras perdas, portanto vou assumir o caso usual de um compressor ideal (compressão isentrópica) e também que o líquido que sai do condensador está na condição de líquido saturado à pressão de
(isto é,
é a temperatura de saturação nessa pressão). Usarei propriedades termodinâmicas de R134a retiradas de tabelas padrão; os valores numéricos usados serão explicitados no passo seguinte. A resolução numérica começa no Passo 2.
Passo 2
Converter a vazão mássica para unidades do SI e listar os estados do ciclo com as hipóteses:
- Conversão da vazão:
- Identificação dos estados (padrão do ciclo de refrigeração por compressão):
- Estado 1: saída do evaporador / entrada do compressor — tomado como vapor saturado a
e . - Estado 2s: saída do compressor em compressão isentrópica até
(mesmo entropia de 1). - Estado 3: saída do condensador — líquido saturado a
e . - Estado 4: após válvula de expansão (throttle) até
— processo isenthalpico, então .
- Estado 1: saída do evaporador / entrada do compressor — tomado como vapor saturado a
Vou precisar das entalpias e entropias correspondentes; elas são obtidas nas tabelas de R134a.
Passo 3
Apresentar os dados de propriedades tomados das tabelas de R134a (valores retirados de tabelas termodinâmicas padrão para R134a, arredondados com precisão apropriada):
- Propriedades no estado 1 (vapor saturado a
, ): - entalpia do vapor saturado:
. - entropia do vapor saturado:
.
- entalpia do vapor saturado:
- Propriedades no estado 3 (líquido saturado a
, ): - entalpia do líquido saturado:
.
- entalpia do líquido saturado:
Observação didática curta sobre esses números:
(entalpia) em
é a energia específica transportada pelo fluido;
(entropia) em
é a propriedade que se conserva numa compressão isentrópica ideal. Os valores acima vêm de tabelas de vapor de R134a para as condições indicadas.
Passo 4
Determinar o estado 4 (após a expansão): o dispositivo de expansão é idealmente uma válvula de estrangulamento (processo isenthalpico), logo:
Didática: na expansão por válvula a entalpia específica do fluido não muda (energia interna/entalpia redistribuída entre fases), por isso usamos
.
Passo 5
Calcular a carga frigorífica específica (por unidade de massa) do evaporador: energia absorvida por kg de refrigerante no evaporador é a diferença entre entalpias na entrada (vapor) e saída da válvula (líquido expandido):
Substituindo os valores:
Didática:
é a quantidade de calor retirada do espaço refrigerado por cada quilograma de refrigerante que evapora.
Passo 6
Determinar a entalpia no estado 2 assumindo compressão isentrópica: mantemos
e buscamos a entalpia do vapor superaquecido a
com essa entropia nas tabelas de R134a. A partir das tabelas, para
e
obtemos (valor tabelado/interpolado):
Didática: na compressão isentrópica, a entropia do fluido não muda; por isso usamos a tabela de vapor superaquecido a
e lemos a entalpia correspondente à entropia conhecida.
Passo 7
Calcular o trabalho específico do compressor (energia por kg fornecida ao fluido pelo compressor):
Substituindo valores:
Didática: essa diferença de entalpias é a energia entregue ao fluido na forma de trabalho pelo compressor (em processo adiabático, primeira lei para fluxo estacionário).
Passo 8
Calcular a potência do compressor (em kW), multiplicando trabalho específico pela vazão mássica:
Substituindo
e
(lembrando que
):
Arredondando para duas casas decimais:
Passo 9
Calcular a capacidade frigorífica (potência de refrigeração) do evaporador (em kW):
Substituindo
e
:
Arredondando:
Passo 10
Calcular o coeficiente de desempenho (COP) do ciclo, definido para refrigeração como razão entre capacidade frigorífica e potência do compressor:
Substituindo os valores calculados:
Didática final: o COP informa quantas unidades de frio obtemos por unidade de energia elétrica consumida pelo compressor; valores em torno de 3–4 são típicos para ciclos de refrigeração domésticos/industriais em condições moderadas.