Um sistema de refrigeração de duplo estágio de compressão opera com pressões de condensação e evaporação de 800 kPa e 140 kPa , respectivamente. O fluido refrigerante (R134a) deixa o condensador como líquido saturado sendo expandido a partir de uma válvula até uma pressão intermediária de 320 kPa . O vapor formado durante essa expansão é separado do líquido, sendo levado para se misturar com o vapor que sai do compressor de baixa pressão. Em seguida, essa mistura é comprimida pelo compressor de alta pressão até atingir a pressão de condensação. O liquido proveniente do processo de separação intermediária é expandido até atingir a pressão de evaporação e circulado no evaporador, deixando-o no estado de vapor saturado seco. Considerando compressōes ideais: (i) esboce o ciclo em um diagrama T-s e determine (ii) o COP do ciclo e (ii) o COP do ciclo padrão de único estágio equivalente. [3,0p]

Passo 1

O enunciado descreve um ciclo frigorífico de duplo estágio com fluido R- 134a, pressões de evaporação pe=140 kPa, intermediária pi=320 kPa e condensação pc=800 kPa. O refrigerante deixa o condensador como líquido saturado, sofre expansão para pi, separa-se em vapor e líquido, o vapor mistura-se ao vapor comprimido no estágio de baixa pressão e segue para o compressor de alta pressão, enquanto o líquido restante segue para evaporador e volta na forma de vapor saturado.
Conteúdo: diagrama T!-!s, entalpias e entropias de estados saturados e comprimidos do R- 134a e cálculo de COPs pelo balanço de energia e balanço de massa no flash.

Passo 2

Esboce qualitativamente o ciclo no diagrama T!-!s:
1. Linha de evaporação de 140 kPa: ponto 1 l(saturado vaporr).
2. Compressão isentrópica 1to 2 até 320 kPa.
3. Compressão isentrópica 4v to 5 até 800 kPa (onde 4v é o vapor separado no flash).
4. Resfriamento condensador 5to 3 até líquido saturado a 800 kPa.
5. Expansão isentrópica (isentálpica) 3to 4 até 320 kPa (flash).
6. Expansão isentrópica 4liq to 6 até 140 kPa e evaporação 6to 1.

Passo 3

Defina as entalpias (todas retiradas da tabela de propriedades do R- 134a):
h1=hg(pe), s1=sg(pe).
h2 obtido impondo s2=s1 a p2=pi.
h3=hf(pc).
– Após flash isentalpico 3to4,
h4 = h3,
com fração de vapor
y = h4 - hf(pi)hg(pi)-hf(pi)
– O vapor separado tem h4v=hg(pi); ao comprimir isentrópico até 800 kPa obtém-se h5 com s5=sg(pi).
– O líquido do flash leva h4ell=hf(pi); expande-se até 140 kPa mantendo h6=h4ell.

Passo 4

Escreva efeitos e trabalhos (base 1 kg de refrigerante que sai do condensador e entra no flash):
Refrigeração no evaporador
QL = (1-y),l[h1 - h6r]
Trabalho do compressor de baixa pressão
WLP = (1-y),l[h2 - h1r]
Trabalho do compressor de alta pressão
WHP = 1;l[h5 - hg(pi)r]

Passo 5

O COP do ciclo duplo-estágio é
COPduplo = QLWLP+WHP = (1-y),l[h1 - h6r] (1-y),l[h2 - h1r] ;+;l[h5 - hg(pi)r]

Passo 6

Para o ciclo padrão de único estágio entre 140 kPa e 800 kPa (compressão isentrópica de 1 to 2'), define-se
h2':;s2'=s1,;p2'=pc,
e
COPúnico = h1 - hf(pe)h2' - h1 ú

Resposta

Não é possível obter valores numéricos de COPduplo e COPúnicoú sem consultar a tabela de propriedades (entalpias h e entropias s) do R- 134a nos pontos indicados.

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