Ao alterar o ciclo reversível de Carnot, de modo a possibilitar a aplicação prática do ciclo num sistema de refrigeração, surge o ciclo de compressão de vapor. Estas alterações surgem na necessidade de vaporizar o fluido frigorigéneo completamente antes de ser comprimido no compressor e a substituição da turbina por um dispositivo de expansão. O ciclo de compressão de vapor é o sistema de refrigeração com mais utilização actualmente, sendo cerca de 90 % dos sistemas instalados (Siemens, 2004).
2.3.1 Ciclo ideal de compressão de vapor
Na figura 2.3 encontra-se um sistema de refrigeração hipotético, com componentes semelhantes aos utilizados no ciclo reversível de Carnot, sendo a turbina substituída por um dispositivo de expansão. Estas alterações resultam num ciclo denominado por ciclo ideal de compressão de vapor esquematizado nos diagrama T-s e p-H da figura 2.4 e figura 2.5, respectivamente.
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Um ciclo denomina-se ideal devido ao processo de compressão ser isentrópico e as perdas de pressão na tubagem, válvulas e outros componentes são desprezáveis. Os processos que constituem o ciclo ideal de compressão de vapor são os seguintes:
1. Processo 1 ➝ 2: Compressão isentrópica do fluido frigorigéneo até à pressão de condensação P2, onde este entra no compressor a uma pressão igual à do evaporador,
no estado de vapor saturado P1.
2. Processo 2 ➝ 3: Processo de rejeição de calor do fluido frigorigéneo para o exterior a pressão constante. Neste processo o fluido frigorigéneo entra no condensador em estado de vapor sobreaquecido à temperatura T2 e sai do mesmo em estado de líquido
saturado à temperatura T3.
3. Processo 3 ➝ 4: expansão irreversível a entalpia constante (processo isentálpico) do fluido frigorigéneo por uma válvula de expansão, diminuindo a temperatura de T3 para T4
4. Processo 4 ➝ 1: o fluido frigorigéneo em mistura líquido-vapor, entra no evaporador e absorve calor do espaço a arrefecer (efeito frigorífico) a pressão constante. Posteriormente sai do evaporador e retorna ao compressor em estado de vapor saturado de modo a repetir-se o ciclo.
Figura 2.4 - Diagrama T-s de um sistema de refrigeração - ciclo ideal de compressão de vapor
(Cengel & Michael, 2010)
Figura 2.5 - Diagrama p-H de um sistema de refrigeração - ciclo ideal de compressão de vapor
(Cengel & Michael, 2010)
Embora a utilização de uma turbina isentrópica em vez de uma válvula de expansão, permitisse um aumento do efeito frigorífico e diminuição do trabalho realizado pelo compressor, a utilização da turbina não é prática, devido a estes benefícios não justificarem os custos e complexidade de implementação dessa solução.
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2.3.2 Ciclo real de compressão de vapor
Ao aplicar o ciclo ideal de compressão de vapor num sistema de refrigeração, surgem algumas alterações devido a irreversibilidades ocorridas nos componentes. Atrito nas tubagens e transferências de calor por parte dos componentes com o ambiente envolvente, causam quebras de pressão no sistema.
Como revisto no ciclo ideal de compressão de vapor, o fluido frigorigéneo sai do evaporador e entra no compressor em estado de vapor saturado. Na realidade não é possível controlar o estado do fluido frigorigéneo de forma tão precisa. Ao invés, é controlado pela válvula de expansão, um grau de sobreaquecimento, de modo a garantir que o fluido frigorigéneo entre no compressor em estado de vapor sobreaquecido. Além disso, quando a tubagem que liga o evaporador ao compressor é muito longa, existe uma queda de pressão provocada pelo atrito do fluido frigorigéneo e transferência de calor do ambiente envolvente para o fluido frigorigéneo, que pode ser muito significativa.
O sobreaquecimento produzido, os ganhos de calor provenientes da tubagem de aspiração e as quedas de pressão, no evaporador e tubagens, geram um aumento do volume específico e como consequência, um aumento na energia para o compressor conseguir operar o ciclo, uma vez que o trabalho realizado pelo compressor é proporcional ao volume específico (Cengel & Michael, 2010).
Figura 2.6 - Diferenças entre o ciclo teórico e o real de refrigeração (Silva, 2005)
O processo de compressão num ciclo ideal de compressão de vapor é um processo adiabático e reversível, por isso isentrópico. O processo real de compressão, envolve efeitos de fricção que aumentam a entropia e transferências de calor, que podem aumentar ou diminuir a entropia (Cengel & Michael, 2010).
No ciclo ideal de compressão de vapor, é considerado que o fluido frigorigéneo sai do condensador no estado de líquido saturado, à pressão de saída do compressor. Na realidade, é inevitável que ter alguma queda de pressão no condensador, assim como nas tubagens de ligação do compressor ao condensador, e do condensador à válvula de expansão.
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Além disso, não é fácil de executar o processo de condensação com precisão tal, que o fluido frigorigéneo termine em estado de líquido saturado, sendo indesejável que o fluido frigorigéneo entre na válvula de expansão, antes de ser completamente condensado. Portanto, o fluido frigorigéneo é subarrefecido uns graus de temperatura, antes de entrar na válvula de expansão. O grau de subarrefecimento depende maioritariamente do meio que retira calor do condensador (ar atmosférico, água, etc.) durante a condensação, assim como da construção e da capacidade do condensador (Wang, 2000). Este efeito no entanto é vantajoso, devido ao fluido frigorigéneo entrar no evaporador com uma entalpia mais baixa e portanto, poder absorver mais calor a partir do espaço a refrigerar (Cengel & Michael, 2010).
2.3.3 Balanços de energia no ciclo de compressão de vapor
Para realizar o balanço energético no ciclo de compressão de vapor, este é feito tomando em consideração o funcionamento do mesmo em regime permanente nas condições de projecto, isto é, à temperatura de evaporação e temperatura de condensação constantes (Silva, 2005).
Efeito frigorífico
O efeito frigorífico (qref), (ou efeito de refrigeração), corresponde ao calor extraído por
unidade de massa do fluido frigorigéneo durante o processo de evaporação no evaporador (Wang, 2000), podendo ser determinado da seguinte forma:
1 4 ref
q
h
h
(2.1) onde: refq
= efeito frigorífico [J/kg] 1h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída do evaporador [J/kg] 4h
= entalpia do fluido frigorigéneo na entrada do evaporador [J/kg]Potência frigorífica
A potência frigorífica (Qref) (ou carga de refrigeração), é a quantidade total de calor por
unidade de tempo, removida pelo fluido frigorigéneo através do evaporador do sistema de refrigeração, a fim de manter uma temperatura desejada constante. A potência frigorífica pode ser determinada pela equação:
1 4
(
)
ref rQ
m h
h
(2.2) onde: refQ
= potência frigorífica [W] 1h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída do evaporador [J/kg] 4h
= entalpia do fluido frigorigéneo na entrada do evaporador [J/kg]r
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Normalmente a potência frigorífica é conhecida, correspondendo às cargas térmicas a que o espaço a refrigerar está submetido numa operação em regime permanente (Silva, 2005).
A potência frigorífica é um dos factores que determinam o consumo de energia de um equipamento, juntamente com a eficiência do sistema: quanto menor a potência frigorífica, ou quanto maior for a eficiência do sistema, menor será o consumo de energia (European Commission DG ENTR, 2011).
Potência teórica de compressão
A potência teórica de compressão é definida como a quantidade de energia por unidade de tempo, que deve ser fornecida ao fluido frigorigéneo para elevar a pressão necessária para operar o ciclo frigorífico ideal. Como revisto anteriormente, o processo de compressão num ciclo ideal de compressão de vapor é isentrópico e pode ser determinado por:
2 1
(
)
comp rW
m h
h
(2.3) onde: compW
= potência fornecida ao fluido frigorigéneo pelo compressor [W] 1h
= entalpia do fluido frigorigéneo na aspiração do compressor [J/kg] 2h
= entalpia do fluido frigorigéneo na descarga do compressor [J/kg]r
m
= caudal mássico de fluido frigorigéneo [kg/s]Rejeição de calor no condensador
No processo de rejeição de calor, o fluido frigorigéneo cede energia a um meio envolvente (ar ou água) por intermédio de um condensador. Este fluxo de calor pode ser determinado por meio do balanço de energia determinado por:
2 3
(
)
cond rQ
m h
h
(2.4) onde: condQ
= calor rejeitado pelo fluido frigorigéneo no condensador [W] 2h
= entalpia do fluido frigorigéneo na entrada do condensador [J/kg] 3h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída do condensador [J/kg]r
m
= caudal mássico de fluido frigorigéneo [kg/s]Válvula de expansão
Na válvula de expansão, o processo ideal ocorrido é adiabático como mostra a equação:
3 4
h
h
(2.5)onde: 4
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída da válvula de expansão [J/kg] 313