Termodinâmica – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori Capítulo 4 – Ciclos de

Termodinâmica – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori
Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração
Ciclos de Refrigeração
Refrigeração Térmica
 Tipos de Refrigeração
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 Refrigeração magnética é uma
tecnologia de refrigeramento, sendo desenvolvida
atualmente pela parceria do Ames Laboratory do
Departamento de Energia dos Estados Unidos com a
Corporação astronáutica da América. Um modelo
protótipo foi criado com sucesso em 1996.
Essa tecnologia utiliza um efeito magnetocalorífico, que é uma tendência de determinados
materiais, tais como o elemento metálico gálio, os
quais se aquecem muito quando inseridos em um
campo magnético e se refrigeram rápido até
temperaturas muito baixas quando retirados desse
campo.
Esta técnica foi usada por muitos anos em
sistemas criogênicos e também no controle de
temperatura dos sistemas de refrigeração, para estes
atingirem temperaturas de 4 kelvins ou mais baixas.
 Refrigeração termoacústica ou
sônica é uma tecnologia que utiliza ondas sonoras
de alta amplitude na pressurização de gases, com o
objetivo de bombear o calor de um lugar a outro.
Os dispositivos termoacústicos são os mais
eficientes construídos até o momento, pois têm uma
eficiência relativa próxima de 40% (relativa à
máquina de Carnot), tornando-os comparáveis aos
sistemas domésticos de compressão de vapor e, na
maioria dos casos, superiores aos motores de
combustão interna.
 Refrigeração termoacústica ou
sônica é uma tecnologia que utiliza ondas sonoras
de alta amplitude na pressurização de gases, com o
objetivo de bombear o calor de um lugar a outro.
Os dispositivos termoacústicos são os mais
eficientes construídos até o momento, pois têm uma
eficiência relativa próxima de 40% (relativa à
máquina de Carnot), tornando-os comparáveis aos
sistemas domésticos de compressão de vapor e, na
maioria dos casos, superiores aos motores de
combustão interna.
Fluidos Refrigerantes
O Freon pode ser definido como diversos
tipos de gases a base clorofluorcarbonos. Estes são
conhecidos como CFCs. É marca registrada da
empresa norte americana Du Pont, apontada por
muitos como a principal causadora de danos
atmosféricos, danos à saúde da humanidade e danos
contra os seres vivos e portanto contra o Planeta
Terra nas últimas décadas. O Freon ainda é utilizado
comercialmente pela indústria de refrigeradores,
eletrônica, mecânica entre outras.
 Histórico do Freon
Entre os anos 1800 até 1929 os gases
utilizados para fins de refrigeração eram
tóxicos. Estes eram: a amônia (NH3), cloreto de
metil (CH3Cl), e dióxido de enxofre (SO2).
No século XX, na década de 1920,
ocorreram muitos acidentes fatais em função de
vazamento de cloreto de metil em refrigeradores
industriais e até mesmo residenciais.
Muitas empresas e proprietários de
equipamentos de refrigeração começaram a
deixar seus refrigeradores ao ar livre para
prevenir possíveis vazamentos.
Devido aos grandes prejuízos e
processos judiciais contra as indústrias de
refrigeração, estas iniciaram um esforço
conjunto para resolver o problema.
Os descobridores
Em 1926, Thomas Midgley, Jr. E
Charles Franklin Kettering inventaram uma
combinação de gases que foi chamada de Freon.
Os CFCs são um grupo de alifático de
combinações orgânicas que contêm o carbono,
flúor, e, em muitos casos, outros halógenos
(especialmente cloro) e hidrogênio. São
incolores, inodoros, não inflamáveis, não são
corrosivos ou líquidos. Thomas Midgley foi
escolhido por Charles Franklin Kettering para
dirigir a pesquisa dos CFCs. A empresa
Frigidaire obteve a primeira patente para a
fórmula para gases de refrigeração no dia 31 de
dezembro de 1928.
 A união das empresas
Em 1930 a General Motors e a DuPont
formaram a Kinetic Chemical Company para
produzir o Freon. Em 1935 a Frigidaire e seus
concorrentes já tinham comercializado em torno
de 8 milhões de refrigeradores novos nos
Estados Unidos. Em 1932, a Carrier
Engineering Corporation usou o Freon na
primeira unidade de ar condicionado. Fabricado
pela empresa DuPont durante anos os CFCs
foram usados e liberados livremente na
atmosfera sem conhecimento dos danos que
estavam causando para a humanidade e para o
Planeta Terra, pois eram gases considerados
seguros e estáveis.
O
clorofluorcarbonetos
ou
Clorofluorcarbono(CFC) são um grupo de
hidrocarbonetos halogenados usados em
aerosóis, gases para refrigeradores, solventes e
extintores de incêndio.
São derivados dos hidrocarbonetos
saturados obtidos mediante a substituicão de
átomos de hidrogênio por átomos de cloro e
flúor.
Exemplos de CFC são:
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Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração
CFCl3 (CFC-11)
CF2Cl2 (CFC-12)
C2F3Cl3 (CFC-113)
C2F4Cl2(CFC-114)
C2F5Cl (CFC-115)
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 Camada de ozônio
Quando começou a ser ultilizado, o freon, o
mais conhecido CFC, parecia a solução perfeita aos
problemas da refrigeração, por não se dividir e não
causar danos ao seres vivos, muito melhor que o
produto anteriormente ultilizado, a amônia. Porém,
atualmente descobriu-se que os CFCs sofrem
fotólise quando submetidos à radiação UV,
ultravioleta, dividindo-se na altura da camada de
ozônio onde a presença desse raios são constantes:
F
Cl
|
Luz U.V.
|
Cl - C - Cl ---------> Cl - C. .Cl
|
|
Cl
Cl
O Radical Livre Cloro que se forma, logo reage com
o Ozônio, o decompondo em O2 (Oxigênio Gasoso)
e OCl (Monóxido de Cloro):
Cl + O3 -> O2 + OCl
O OCl então pode reagir com outra molécula de O3,
formando duas moléculas de O2 e deixando o
Radical Livre Cl pronto para repetir o ciclo
reacional:
OCl + O3 -> 2 O2 + Cl
Em Resumo:
Cl + Luz
2 O3 ----------> 3 O2
O Ciclo prossegue até que o cloro se ligue a
uma substância diferente de O3 que forme uma
substância resistente à fotólise ou uma substância
mais densa (que leve o Cl da camada de ozônio para
uma mais baixa):
(O2). Esse fenômeno causa a destruição na camada
de ozônio, o que aumenta a entrada de raios UV na
atmosfera causando grandes problemas como o
câncer de pele, catarata, diminuição do fitoplâncton
e redução das colheitas.
refrigeração. Uma das alternativas tem sido os
Hidroclorofluorcarbonetos (HCFC), haloalcanos
em que nem todos os hidrogênios foram
substituidos por cloro ou fluor. Seu impacto
ambiental tem sido avaliado como sendo de
apenas 10% do dos CFC. Outra alternativa são
os Hidrofluorcarbonetos (HFC) que não contém
cloro e são ainda menos prejudiciais ao meio
ambiente.
Ciclo de Refrigeração
 Conceitos:
Ciclo realizado no sentido oposto ao de
um motor.(Absorção de calor a uma temperatura
baixa), rejeição de uma quantidade de calor
maior a uma temperatura mais elevada e por fim
realização de uma quantidade líquida de
trabalho sobre o sistema. Esse dispositivo que
executa esse ciclo recebe o nome de
refrigerador e o sistema que está sendo
submetido ao ciclo chama-se refrigerante.
A figura 1 ilustra o ciclo de
refrigeração básico e as figuras 2 (a) e (b) o
esquema de um refrigerador.
Figura
refrigeração:
1
-
Ciclo
de
 Protocolo de Montreal
A restauração da camada de ozônio ocorre
naturalmente, porém de forma lenta, e o ritmo da
destruição atual não permite a plena restauração. O
Protocolo de Montreal foi firmado pela maioria dos
países do mundo com o objetivo de, aos poucos,
extinguir a produção destas substâncias, através da
substituição por outras menos nocivas.
 Alternativas
Existem atualmente vários projetos para
diminuir a ultilização dos CFCs, mas eles têm sido
dificultados pelo seu uso principalmente na
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Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração
Figura 2 – (a)
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fluido atravessa adiabaticamente uma abertura
estreita, (válvula agulha), desde uma região de
pressão alta constante a uma região de pressão
baixa, ele experimenta um processo de
estrangulação, ou expansão Joule-Thomson, ou
Joule-Kelvin, produzindo sempre esfriamento e
vaporização parcial. No evaporador, o fluido
vaporiza-se completamente o calor de
vaporização é fornecido pelos materiais a serem
refrigerados. O vapor é então comprimido
adiabaticamente, aumentando com isso sua
temperatura. No condensador, o vapor é
resfriado até que se condense e fique
completamente liquefeito.
O ciclo de refrigeração
básico:
Consiste de 2 adiabáticas e 2
isobáricas.
Figura 3 – Diagrama PV de um ciclo
básico de refrigeração.
QH
TH
(b)
QC
TC
Processo / Estado (PiViTi)
b
c
Processo de estrangulação (queda de temperatura e pressão)
c
d Vaporização isobárica e isotérmica, na qual é absorvido
pelo refrigerante o calor QC à temperatura TC, refrigerando com
isso as substâncias do reservatório frio.
d
a Compressão adiabática do vapor até uma temperatura
superior à temperatura TH do condensador.
a
Várias empresas usam na construção de
frigoríficos práticos desde 900 C até 12 K. A
companhia Philips da Holanda tem ocupado o
primeiro lugar no projeto de instalações industriais.
Outras na área: North American Philips, Hughes
Aircraft e Malaker Laboratories.
Gases utilizados:
CCl2F2 (vaporiza-se –6,70C,
2.46 Kpa) (Cloro flúor Carbono) (Freon 12).
Amônia e dióxido de enxofre
(NH4)
No condensador, a substância refrigerante
se encontra a uma pressão elevada e a uma
temperatura tão baixa quanto seja possível obter
com ar ou com água de resfriamento. Quando um
b Esfriamento isobárico e condensação a TH
Etapa
b c
c d
d a
a b
W
CV (TC
U
TH )
CV (TC TH )
Pc(Vd – Vc)
CV (TC
TH )
CV (TH TC )
Pa(Vb – Va)
84
Q
0
QC
0
QH
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Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração
Figura 4 – Planta básica de refrigeração
Processo / Estado (PiViTi)
1
2
O pistão direito estacionário esquerdo sobe e comprime o
gás isotermicamente à temperatura TH e rejeita o calor QH
ao reservatório quente.
85
2 3 Ambos os pistões deslocam-se a mesma
quantidade, obrigando o gás a atravessar o regenerador,
cedendo calor QR a ele e emergindo frio no espaço do lado
direito.
3 4 Pistão da esquerda permanece fixo, o da direita
desce numa expansão isotérmica à temperatura inferior TC
durante o qual o gás absorve o calor QC do reservatório
frio.
4
1 Ambos os pistões se movem obrigando o gás a
passar, a um volume constante, através do regenerador da
extremidade fria para a extremidade quente, absorvendo
aproximadamente o mesmo calor QR que forneceu ao
regenerador no processo 2 3.
Ciclo de refrigeração de Stirling
O ciclo de refrigeração de Stirling é
discutido abaixo.
Figura 4 – Diagrama esquemático das
etapas na operação de um refrigerador de Stirling.
1
Etapas
W
nR ln
1 2
V2
V1
0
3 4
4 1
1 .. 1
U
0
Q
nR ln
CV (TC TH )
2 3
nR ln
1
V1
V2
0
CV (TC TH )
nR ln
CV (T3 T4 )
CV (T4 T3 )
0
A
0
A
 Etapas de funcionamento de um
refrigerador
Figura 6 –
(a) Líquido refrigerante.
2 isotérmicas e 2 isocóricas.
Figura 5 –
85
V2
V1
V1
V2
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Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração
(b) Passagem pelo evaporador.
(e) retorno ao ciclo novamente.
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(c) Evaporador.
Figura 6 – Funcionamento de um ar
condicionado.
(d) Gás entra no compressor.
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