Uma sala de estocagem esta sendo mantida a
, o R134a esta sendo usado como refrigerante no ciclo, em que o o evaporador e consdensador operam a
e 40 C , respectivamente, para um acarga de refirgeração de 15 ton. Calcular o fluxo mássico de refrigerante, a potência requerida do compressor, o C.O.P.
Passo 1
O enunciado diz: a sala é mantida a
(informação do ambiente), o refrigerante é R134a, o evaporador opera a
e o condensador a
. A carga de refrigeração é de
ton. Pede-se: fluxo mássico de refrigerante, potência requerida do compressor e
. Informações relevantes extraídas do enunciado:
é a temperatura de evaporação (saturada),
é a temperatura de condensação (saturada), carga de refrigeração
ton. A resolução usará o ciclo de compressão de vapor ideal (compressor isentrópico) com expansão por válvula (entalpia constante no estrangulamento). Não há indicação de eficiência do compressor, então assumimos compressão isentrópica (ideal).
Passo 2
O que é o ciclo e quais fórmulas vamos usar (aulas rápidas, sem pular etapas):
-
O ciclo de refrigeração por compressão de vapor padrão tem quatro estados: saída do evaporador (1, vapor saturado), saída do compressor (2, vapor comprimido, aqui assumido isentrópico), saída do condensador (3, líquido saturado), saída da válvula de expansão (4, mistura/bivalente na entrada do evaporador, com entalpia igual a
). No nosso caso usamos os seguintes pontos e simplificações típicas: - Ponto 1: vapor saturado a
→ entalpia , entropia . - Ponto 2: vapor comprimido até a pressão de condensação (correspondente a
); como assumimos compressão isentrópica, e obtemos na tabela de vapor sobre a pressão de condensação. - Ponto 3: vapor condensado a
→ líquido saturado com entalpia (igual a àquela temperatura). - Ponto 4: após válvula de expansão, entalpia
(processo isoentalpico de estrangulamento).
- Ponto 1: vapor saturado a
-
Fórmulas usadas:
- Conversão de tonelada de refrigeração para potência térmica:
- Capacidade frigorífica por unidade de massa (entalpia retirada no evaporador):
- Vazão mássica:
- Potência do compressor (ideal, isentrópica):
- Coeficiente de desempenho:
- Conversão de tonelada de refrigeração para potência térmica:
Explicação de cada variável:
-
é a carga de refrigeração em kW. -
é o fluxo mássico em . -
é a entalpia específica no ponto , em . -
é a entropia específica no ponto , em . -
é a potência consumida pelo compressor em kW.
Passo 3
Converter a carga de refrigeração de toneladas para kW (faça essa conta sempre primeiro):
Guarde essa
para calcular o fluxo mássico.
Passo 4
Obter propriedades do R134a nas temperaturas dadas (aqui peguei valores em tabela de propriedades saturadas e superaquecidas do R134a — explicito que estes valores foram retirados da tabela de propriedades do R134a):
Valores de saturado (extraídos da tabela do R134a):
- A
(saturado):
- A
(saturado):
Comentário didático:
é a entalpia do líquido saturado,
é a entalpia do vapor saturado;
é a entropia do vapor saturado. Eu peguei esses números em uma tabela típica de propriedades do R134a (saturado e superaquecido). Em prova você normalmente consulta a tabela de propriedades do refrigerante.
Passo 5
Identificar pontos do ciclo e valores iniciais:
- No ponto 1 (saída do evaporador), temos vapor saturado a
, portanto:
- No ponto 3 (saída do condensador, líquido saturado a
): - Na válvula de expansão (ponto 4), assumimos processo isoentalpico:
Passo 6
Calcular a capacidade frigorífica por kg de refrigerante (entalpia retirada no evaporador):
Explicação: esse
é a energia que 1 kg de refrigerante absorve no evaporador ao evaporar desde a condição de entrada (mistura/entrada) até vapor saturado na saída.
Passo 7
Calcular o fluxo mássico
:
Lembre que
, então a divisão está consistente:
Interpretação: para retirar
no evaporador, precisamos de aproximadamente
de R134a passando e evaporando.
Passo 8
Determinar a entalpia no ponto 2 (saída do compressor) assumindo compressão isentrópica:
- Temos
e pressão correspondente a (ou seja, pressão de condensação). Usando a tabela superaquecida do R134a para (ou tabela de superaquecimento em termos de e ), encontramos a entalpia correspondente a naquele ponto. Interpolando na tabela superaquecida do R134a para na pressão de condensação (ou diretamente em função de e ), obtém-se, a partir da tabela, o valor:
Observação didática: na prática você faria interpolação na tabela superaquecida do refrigerante; aqui usei o valor de
correspondente ao estado isentrópico após compressão até a pressão de saturação a
. Esse
é maior que
porque o compressor fornece trabalho ao fluido.
Passo 9
Calcular trabalho específico do compressor (por kg) e potência do compressor:
- Trabalho específico (isentrópico):
- Potência do compressor:
Como
,
Interpretação: o compressor, no ciclo ideal isentrópico assumido, precisa fornecer cerca de
de potência.
Passo 10
Calcular o C.O.P. do ciclo:
Comentário: o
adimensional nos diz quantas unidades de calor extraímos do espaço refrigerado por cada unidade de trabalho fornecida ao compressor. Aqui o valor é aproximadamente
, típico para saltos de temperatura moderados.
Passo 11
Checagem rápida de consistência e interpretação:
- Vazão mássica
equivaleria a — valor plausível para um sistema de 15 ton com R134a. - Potência do compressor
e COP são coerentes entre si (porque ). Em prova, sempre verifique unidades e a relação .