CoP teórico de operação

Quando a máquina é real e funciona em ciclo com um refrigerante específico, o ciclo pode ser representado no diagrama correspondente:

O ponto 1, como pode ser visto no diagrama, está localizado na saída do condensador de onde sai o refrigerante em estado líquido saturado, por isso está naquela curva do diagrama. A partir deste ponto o líquido passa pela válvula de expansão, na qual ocorre uma queda de pressão sem troca de calor, ou seja, com entalpia constante. É por isso que a linha 1-2 representa a evolução do fluido à medida que passa pela válvula de laminação.

Do ponto 2 o refrigerante entra no evaporador. Quando isso acontece, parte do refrigerante já está no estado de vapor; devido à rápida expansão e ao calor que leva na seção do tubo da válvula ao evaporador. A linha 2-3 representa a evolução do fluido dentro do evaporador, portanto, a diferença entre a entalpia do ponto 3 e a do ponto 2, que é lida no eixo das abcissas, é a quantidade de calor que o refrigerante absorveu para evaporar, ou seja, a quantidade de calor que foi extraída do ar ambiente, que é o objetivo de uma máquina de refrigeração, por isso esse valor é chamado de efeito de refrigeração. A linha é horizontal porque durante este processo de mudança de fase a pressão permanece constante.

O ponto 3 é a saída do evaporador, portanto o refrigerante estará na forma de vapor saturado, por isso está acima da curva correspondente. Após esse ponto, o vapor é aspirado e comprimido pelo compressor “Compressor (máquina)”) até a pressão de condensação. A evolução do refrigerante no compressor é considerada em entropia constante e é representada na linha 3-4. A diferença nas entalpias desses dois pontos é o trabalho teórico contribuído pelo compressor.

O ponto 4 corresponde à saída do compressor “Compressor (máquina)”) e à entrada ao condensador. No condensador ocorrerá uma mudança de fase de vapor para líquido. Assim como no caso do evaporador, a linha representativa é horizontal, pois será produzida em temperatura e pressão constantes. A diferença de entalpias entre o ponto 4 e o ponto 1 é o calor fornecido ao ambiente no condensador, que é o objetivo da bomba de calor. Percebe-se que esse calor é a soma daquele absorvido no evaporador mais aquele correspondente ao trabalho do compressor, algo lógico para retornar ao ponto inicial e fechar o ciclo.

Se o CoP for calculado com esses dados, será:.

Este valor expressa o CoP teórico de funcionamento de uma máquina de refrigeração ou bomba de calor real, que funciona com um refrigerante específico, operando também entre duas temperaturas e . Esta eficiência permanece teórica, pois o ciclo desenhado no diagrama também é teórico, uma vez que não são levadas em consideração as irreversibilidades do processo.

verdadeira CoP

Se os valores de pressão e temperatura do refrigerante forem levados ao diagrama à medida que evoluem no funcionamento de uma máquina real, o ciclo teórico fica distorcido.[6]​ Por um lado, as pressões ou temperaturas que passam pelo evaporador e condensador não permanecem constantes, mas sofrem uma queda correspondente às perdas de pressão por atrito nas bobinas de ambos os trocadores. No ponto 3 ocorre uma pequena mas abrupta queda de pressão adicional, devido à passagem do líquido refrigerante pela restrição da válvula de admissão. O mesmo acontece no ponto 4 com a válvula de escape. A pressão alcançada pelo compressor deve ser superior à pressão teórica para compensar estas perdas de pressão.

A compressão adiabática real também não é exatamente isentrópica, mas corresponde a uma transformação politrópica com expoente inferior à adiabática e o mesmo ocorre com a expansão adiabática na válvula, que se desvia da vertical dependendo do estado do vapor que permanece no espaço nocivo do compressor no final do curso de descarga. A operação do ciclo em regime úmido ou seco tem grande influência no desvio destas linhas em relação às teóricas.

Com todas estas circunstâncias, o CoP que se pode esperar de uma máquina real é muito inferior aos obtidos anteriormente. A influência de cada uma das irreversibilidades na perda de eficiência do ciclo é mostrada no diagrama setorial. Vê-se que a maior perda ocorre devido à eficiência da troca de calor. Isto pode ser muito melhorado com o uso de ventiladores, mas eles envolvem um consumo maior que deve ser contabilizado. Conforme indicado, o CoP real permanece em 15% em relação ao máximo teórico obtido pela equação de Carnot. Usando técnicas de otimização de ciclo, até 20% podem ser alcançados.

O CoP real de uma máquina real operando sob determinadas condições pode ser obtido pela relação entre a energia térmica efetivamente extraída[7]​ em um determinado tempo (Potência de resfriamento), e a energia consumida no mesmo tempo (Potência consumida), ou seja, medida por um medidor (wattímetro).

CoP sazonal

No caso da bomba de calor, o CoP depende muito das condições do ambiente exterior, que é a fonte de frio de onde é extraído o calor. Como a temperatura exterior é variável com as condições climáticas, o CoP instantâneo ou um curto intervalo de tempo não é representativo do desempenho que obteremos ao longo do período de inverno, que no final é o que interessa. Para amenizar esta situação utiliza-se o CoP sazonal, que é uma relação entre a energia térmica fornecida pela máquina durante todo o inverno e a energia elétrica consumida no mesmo período, ou seja, a energia correspondente ao aquecimento nas contas de luz do inverno.

CoP máximo teórico

O calor é absorvido em certa quantidade do foco frio e depositado em quantidade no foco quente, para o qual é fornecido trabalho. Os princípios enunciados por Carnot[2]​ podem ser expressos aqui da seguinte forma:

A eficiência[3]​ desta máquina, levando em consideração que o benefício obtido é a quantidade de calor extraída da fonte fria, é:.

Para a bomba de calor o benefício obtido é a quantidade de calor que ela deposita na fonte quente, portanto:

Esta é a eficiência ou o máximo teórico ***CoP[4]​ de uma máquina de refrigeração ou de uma bomba de calor que funciona entre duas fontes com temperaturas e , que permite comparar máquinas reais com máquinas reversíveis que funcionam entre as mesmas temperaturas;

CoP teórico de operação

Quando a máquina é real e funciona em ciclo com um refrigerante específico, o ciclo pode ser representado no diagrama correspondente:

O ponto 1, como pode ser visto no diagrama, está localizado na saída do condensador de onde sai o refrigerante em estado líquido saturado, por isso está naquela curva do diagrama. A partir deste ponto o líquido passa pela válvula de expansão, na qual ocorre uma queda de pressão sem troca de calor, ou seja, com entalpia constante. É por isso que a linha 1-2 representa a evolução do fluido à medida que passa pela válvula de laminação.

Do ponto 2 o refrigerante entra no evaporador. Quando isso acontece, parte do refrigerante já está no estado de vapor; devido à rápida expansão e ao calor que leva na seção do tubo da válvula ao evaporador. A linha 2-3 representa a evolução do fluido dentro do evaporador, portanto, a diferença entre a entalpia do ponto 3 e a do ponto 2, que é lida no eixo das abcissas, é a quantidade de calor que o refrigerante absorveu para evaporar, ou seja, a quantidade de calor que foi extraída do ar ambiente, que é o objetivo de uma máquina de refrigeração, por isso esse valor é chamado de efeito de refrigeração. A linha é horizontal porque durante este processo de mudança de fase a pressão permanece constante.

O ponto 3 é a saída do evaporador, portanto o refrigerante estará na forma de vapor saturado, por isso está acima da curva correspondente. Após esse ponto, o vapor é aspirado e comprimido pelo compressor “Compressor (máquina)”) até a pressão de condensação. A evolução do refrigerante no compressor é considerada em entropia constante e é representada na linha 3-4. A diferença nas entalpias desses dois pontos é o trabalho teórico contribuído pelo compressor.

O ponto 4 corresponde à saída do compressor “Compressor (máquina)”) e à entrada ao condensador. No condensador ocorrerá uma mudança de fase de vapor para líquido. Assim como no caso do evaporador, a linha representativa é horizontal, pois será produzida em temperatura e pressão constantes. A diferença de entalpias entre o ponto 4 e o ponto 1 é o calor fornecido ao ambiente no condensador, que é o objetivo da bomba de calor. Percebe-se que esse calor é a soma daquele absorvido no evaporador mais aquele correspondente ao trabalho do compressor, algo lógico para retornar ao ponto inicial e fechar o ciclo.

Se o CoP for calculado com esses dados, será:.

Este valor expressa o CoP teórico de funcionamento de uma máquina de refrigeração ou bomba de calor real, que funciona com um refrigerante específico, operando também entre duas temperaturas e . Esta eficiência permanece teórica, pois o ciclo desenhado no diagrama também é teórico, uma vez que não são levadas em consideração as irreversibilidades do processo.

verdadeira CoP

Se os valores de pressão e temperatura do refrigerante forem levados ao diagrama à medida que evoluem no funcionamento de uma máquina real, o ciclo teórico fica distorcido.[6]​ Por um lado, as pressões ou temperaturas que passam pelo evaporador e condensador não permanecem constantes, mas sofrem uma queda correspondente às perdas de pressão por atrito nas bobinas de ambos os trocadores. No ponto 3 ocorre uma pequena mas abrupta queda de pressão adicional, devido à passagem do líquido refrigerante pela restrição da válvula de admissão. O mesmo acontece no ponto 4 com a válvula de escape. A pressão alcançada pelo compressor deve ser superior à pressão teórica para compensar estas perdas de pressão.

A compressão adiabática real também não é exatamente isentrópica, mas corresponde a uma transformação politrópica com expoente inferior à adiabática e o mesmo ocorre com a expansão adiabática na válvula, que se desvia da vertical dependendo do estado do vapor que permanece no espaço nocivo do compressor no final do curso de descarga. A operação do ciclo em regime úmido ou seco tem grande influência no desvio destas linhas em relação às teóricas.

Com todas estas circunstâncias, o CoP que se pode esperar de uma máquina real é muito inferior aos obtidos anteriormente. A influência de cada uma das irreversibilidades na perda de eficiência do ciclo é mostrada no diagrama setorial. Vê-se que a maior perda ocorre devido à eficiência da troca de calor. Isto pode ser muito melhorado com o uso de ventiladores, mas eles envolvem um consumo maior que deve ser contabilizado. Conforme indicado, o CoP real permanece em 15% em relação ao máximo teórico obtido pela equação de Carnot. Usando técnicas de otimização de ciclo, até 20% podem ser alcançados.

O CoP real de uma máquina real operando sob determinadas condições pode ser obtido pela relação entre a energia térmica efetivamente extraída[7]​ em um determinado tempo (Potência de resfriamento), e a energia consumida no mesmo tempo (Potência consumida), ou seja, medida por um medidor (wattímetro).

CoP sazonal

No caso da bomba de calor, o CoP depende muito das condições do ambiente exterior, que é a fonte de frio de onde é extraído o calor. Como a temperatura exterior é variável com as condições climáticas, o CoP instantâneo ou um curto intervalo de tempo não é representativo do desempenho que obteremos ao longo do período de inverno, que no final é o que interessa. Para amenizar esta situação utiliza-se o CoP sazonal, que é uma relação entre a energia térmica fornecida pela máquina durante todo o inverno e a energia elétrica consumida no mesmo período, ou seja, a energia correspondente ao aquecimento nas contas de luz do inverno.