Os ciclos termodinâmicos de bomba de calor ou ciclos de refrigeração são os modelos conceituais e matemáticos para bombas de calor e refrigeradores. Uma bomba de calor é uma máquina ou dispositivo que move calor de um local (a 'fonte') a uma temperatura mais baixa para outro local (o 'dissipador' ou 'dissipador de calor') a uma temperatura mais alta com trabalho mecânico ou uma fonte de calor de alta temperatura. Assim, uma bomba de calor pode ser considerada um "aquecedor" se o objetivo for aquecer o dissipador de calor (como quando se aquece o interior de uma casa num dia frio) ou um "frigorífico" se o objetivo for arrefecer a fonte de calor (como no funcionamento normal de um frigorífico). Em qualquer caso, os princípios operacionais são idênticos.[2] O calor se move de um local frio para um local quente.
Ciclos termodinâmicos
Contenido
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica el calor no puede fluir espontáneamente desde una ubicación más fría a una zona más caliente; Se requiere trabajo para lograr esto.[3] Un acondicionador de aire que requiere trabajo para enfriar un espacio habitable, moviendo el calor desde el interior del ambiente (la fuente de calor) hacia el exterior más caliente (el disipador de calor). Del mismo modo, un refrigerador mueve calor desde dentro de la nevera fría (la fuente de calor) hacia la temperatura más caliente del aire en la cocina (el disipador de calor). El principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración, fue descripto matemáticamente por Sadi Carnot en 1824 como un motor térmico. Una bomba de calor puede considerarse como motor térmico que funciona a la inversa.
Bomba de calor y los ciclos de refrigeración se pueden clasificar como de compresión de vapor, absorción de vapor, el ciclo de gas, o los tipos de ciclo de Stirling .
Ciclo de compressão de gás refrigerante
O ciclo de compressão de gás refrigerante é usado na maioria dos refrigeradores domésticos, bem como em muitos sistemas de refrigeração comercial e industrial de grande porte. A Figura 1 fornece um diagrama esquemático dos componentes de um sistema típico de refrigeração por compressão de gás.
Sistema de bomba de calor ar-ar
Introdução
Em geral
Os ciclos termodinâmicos de bomba de calor ou ciclos de refrigeração são os modelos conceituais e matemáticos para bombas de calor e refrigeradores. Uma bomba de calor é uma máquina ou dispositivo que move calor de um local (a 'fonte') a uma temperatura mais baixa para outro local (o 'dissipador' ou 'dissipador de calor') a uma temperatura mais alta com trabalho mecânico ou uma fonte de calor de alta temperatura. Assim, uma bomba de calor pode ser considerada um "aquecedor" se o objetivo for aquecer o dissipador de calor (como quando se aquece o interior de uma casa num dia frio) ou um "frigorífico" se o objetivo for arrefecer a fonte de calor (como no funcionamento normal de um frigorífico). Em qualquer caso, os princípios operacionais são idênticos.[2] O calor se move de um local frio para um local quente.
Ciclos termodinâmicos
Contenido
De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica el calor no puede fluir espontáneamente desde una ubicación más fría a una zona más caliente; Se requiere trabajo para lograr esto.[3] Un acondicionador de aire que requiere trabajo para enfriar un espacio habitable, moviendo el calor desde el interior del ambiente (la fuente de calor) hacia el exterior más caliente (el disipador de calor). Del mismo modo, un refrigerador mueve calor desde dentro de la nevera fría (la fuente de calor) hacia la temperatura más caliente del aire en la cocina (el disipador de calor). El principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración, fue descripto matemáticamente por Sadi Carnot en 1824 como un motor térmico. Una bomba de calor puede considerarse como motor térmico que funciona a la inversa.
Bomba de calor y los ciclos de refrigeración se pueden clasificar como de compresión de vapor, absorción de vapor, el ciclo de gas, o los tipos de ciclo de Stirling .
Ciclo de compressão de gás refrigerante
O ciclo termodinâmico pode ser analisado em um diagrama[4][5][6] conforme mostrado na figura 2. Neste ciclo, um refrigerante circulante, como o Freon, entra no compressor em estado gasoso. O gás é comprimido a entropia constante e sai do compressor superaquecido. O gás superaquecido viaja através do condensador ou unidade condensadora onde esfria e liquefaz, auxiliado pelo ventilador da unidade condensadora, e se torna líquido pela remoção de calor a pressão e temperatura constantes. O refrigerante, agora no estado líquido, passa pela válvula de expansão (também chamada de válvula borboleta), onde sua pressão diminui abruptamente, fazendo com que passe para o estado gasoso. fazendo com que o gás se expanda. À medida que se expande, já no interior da unidade evaporadora, o gás tende a esfriar, mas ao mesmo tempo absorve o calor da serpentina que passa por essa unidade, e mantém sua temperatura constante, provocando o resfriamento da serpentina e dos dissipadores de calor que a circundam e que são ventilados pelo ventilador que contém a unidade evaporadora.
Este ponto do processo em detalhe resulta numa mistura de líquido e gás, a baixa temperatura e pressão. Essa mistura de gás líquido e frio se move pelos tubos que compõem a serpentina dentro do evaporador ou unidade evaporadora (observe que o nome da unidade evaporadora é mantido pela aplicação prática original do ciclo termodinâmico de Carnot, que era com água líquida e em seu estado gasoso, vapor) e ao passar pela serpentina, adquire novamente o estado gasoso completamente. O gás refrigerante resultante retorna à entrada do compressor para ser liquefeito novamente e completar o ciclo termodinâmico.
A discussão acima é baseada no ciclo teórico de refrigeração por compressão dos chamados gases "ideais" e não leva em consideração os efeitos do mundo real, como atrito, queda de pressão no sistema, pequenas irreversibilidades durante a compressão do gás refrigerante e comportamento não ideal do gás na realidade do mundo físico.
Ciclo de absorção de vapor
Nos primeiros anos do século, o ciclo de absorção de vapor utilizando sistemas de água-amônia era popular e amplamente utilizado, mas, após o desenvolvimento do ciclo de compressão de vapor, perdeu grande parte da sua importância devido ao seu baixo coeficiente de desempenho (cerca de um quinto do ciclo de compressão de vapor). Hoje, o ciclo de absorção de vapor é usado apenas quando o calor é mais fácil de obter do que a eletricidade, como o calor residual fornecido por coletores solares ou o resfriamento fora da rede em veículos recreativos.
O ciclo de absorção é semelhante ao ciclo de compressão, exceto pelo método de aumento da pressão do vapor refrigerante. No sistema de absorção, o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante em um líquido adequado, um líquido que aumenta a pressão da bomba e um gerador de calor que também inicia o vapor refrigerante do líquido de alta pressão. Algum trabalho é exigido pela bomba de líquido, mas, para uma determinada quantidade de refrigerante, é muito menor do que o necessário para o compressor no ciclo de compressão de vapor. Em um refrigerador de absorção, é utilizada uma combinação adequada de refrigerante e absorvente. As combinações mais comuns são amônia (refrigerante) e água (absorvente) e água (refrigerante) e brometo de lítio (absorvente).
ciclo do gás
Quando o fluido de trabalho é um gás que é comprimido e expandido, mas não muda de fase, o ciclo de refrigeração é denominado ciclo de gás. Na maioria das vezes, o ar é esse fluido de trabalho. Como não há condensação e evaporação em um ciclo de gás, os componentes correspondentes ao condensador e ao evaporador de um ciclo de compressão de vapor são os trocadores de calor gás-gás quente e frio.
Para temperaturas extremas, um ciclo de gás pode ser menos eficiente do que um ciclo de compressão de vapor porque o gás funciona no ciclo inverso de Brayton em vez do ciclo inverso de Rankine. Portanto, o fluido de trabalho não recebe nem rejeita calor a temperatura constante. No ciclo do gás, o efeito de resfriamento é igual ao produto do calor específico do gás pelo aumento da temperatura do gás no lado da baixa temperatura. Portanto, para a mesma carga de resfriamento, as máquinas do ciclo de refrigeração a gás requerem uma vazão mássica maior, o que por sua vez aumenta seu tamanho.
Devido ao seu menor desempenho e maior volume, o ciclo evaporador não é frequentemente aplicado na refrigeração terrestre. A máquina de ciclo de ar é muito comum, entretanto, em aeronaves a jato com turbina a gás; uma vez que o ar comprimido está prontamente disponível nas seções do compressor dos motores. As unidades de resfriamento e ventilação de aeronaves também servem para aquecer e pressurizar a cabine da aeronave.
O motor Stirling
O motor térmico do ciclo Stirling pode ser acionado em sentido inverso, usando uma energia mecânica de entrada para transferir calor da unidade na direção reversa (ou seja, uma bomba de calor ou refrigerador). Existem diversas configurações de projeto para esses tipos de dispositivos que podem ser construídos. Várias dessas configurações requerem juntas rotativas ou deslizantes, o que pode introduzir compensações difíceis entre perdas por atrito e perdas de líquido refrigerante.
Comparação com calor e energia combinados (CHP)
Uma bomba de calor pode ser comparada a uma combinação de calor e energia (CHP), para uma planta de condensação de vapor, como interruptores para produzir calor, a energia elétrica é perdida ou não está disponível, assim como a energia usada em uma bomba de calor não está disponível. Normalmente, para cada unidade de energia perdida, 6 unidades de calor estarão disponíveis a cerca de 90°C. Assim, a CHP tem um coeficiente de desempenho efectivo (COP) comparado com uma bomba de calor de 6% em média. Como as perdas são proporcionais ao quadrado da corrente, durante os períodos de pico as perdas são muito maiores do que isso e é provável que o uso generalizado, ou seja, o uso generalizado de bombas de calor nas cidades cause sobrecarga nas redes de transmissão e distribuição, a menos que sejam consideravelmente reforçadas.[2][7].
Ciclo de Carnot invertido
Como o ciclo de Carnot é um ciclo reversível, os quatro processos que o compõem são dois processos isotérmicos e dois processos isentrópicos, tudo pode ser revertido assim. Quando isso acontece, é chamado de reversão do ciclo de Carnot. Um refrigerador ou bomba de calor que atua no ciclo reverso de Carnot é chamado de refrigerador de Carnot e bomba de calor de Carnot, respectivamente. No primeiro estágio deste ciclo (processo 1 - 2), o refrigerante absorve calor isotermicamente de uma fonte de baixa temperatura, TL, na quantidade QL. Então, o refrigerante é comprimido isentropicamente (processo 2-3) e a temperatura é elevada para a fonte de alta temperatura, TH. Então, nesta alta temperatura, o refrigerante rejeita calor isotermicamente na quantidade QH (processo 3-4). Também durante esta fase, o refrigerante muda de vapor saturado para líquido saturado no condensador. Finalmente, o refrigerante se expande isentropicamente onde a temperatura cai de volta para a fonte de baixa temperatura, TL (processo 4 - 1).[2].
Coeficiente de desempenho
A eficiência de uma bomba de calor ou refrigerador é dada por um parâmetro denominado coeficiente de desempenho (COP).
O COP de um refrigerador é dado pela seguinte equação:
O COP de uma bomba de calor é dado pela seguinte equação:
Tanto o COP de um refrigerador quanto de uma bomba de calor podem ser maiores que um. A combinação dessas duas equações resulta em:.
Isto implica que COPHP será maior que um, porque COPR será uma quantidade positiva. Na pior das hipóteses, a bomba de calor fornecerá mais energia do que consome, pelo que actua como um aquecedor de resistência. Contudo, na realidade, tal como no aquecimento doméstico, parte do QH é perdida para o ar exterior através de tubagens, isolamento, etc., fazendo com que o COPHP desça abaixo da unidade quando a temperatura do ar exterior é demasiado baixa. Portanto, o sistema utilizado para aquecimento de casas utiliza combustível.
[8].
Para um ciclo de refrigeração ideal:.
Para um ciclo ideal da bomba de calor:.
Para refrigeradores e bombas de calor Carnot, o COP é expresso em termos de temperaturas:.
Referências
[1] ↑ ASHRAE, Inc., ed. (2004). The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook (en inglés). Atlanta, GA.
[2] ↑ a b c Cengel, Yunus A. and Michael A. Boles (2008). Thermodynamics: An Engineering Approach (en inglés) (6ª edición). McGraw-Hill. ISBN 0-07-330537-5.
[7] ↑ Whitman, Bill (2008). Refrigeration and Air conditioning Technology. Delmar. ISBN 978-1111644475.
[8] ↑ The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, 2004.
O ciclo de compressão de gás refrigerante é usado na maioria dos refrigeradores domésticos, bem como em muitos sistemas de refrigeração comercial e industrial de grande porte. A Figura 1 fornece um diagrama esquemático dos componentes de um sistema típico de refrigeração por compressão de gás.
O ciclo termodinâmico pode ser analisado em um diagrama[4][5][6] conforme mostrado na figura 2. Neste ciclo, um refrigerante circulante, como o Freon, entra no compressor em estado gasoso. O gás é comprimido a entropia constante e sai do compressor superaquecido. O gás superaquecido viaja através do condensador ou unidade condensadora onde esfria e liquefaz, auxiliado pelo ventilador da unidade condensadora, e se torna líquido pela remoção de calor a pressão e temperatura constantes. O refrigerante, agora no estado líquido, passa pela válvula de expansão (também chamada de válvula borboleta), onde sua pressão diminui abruptamente, fazendo com que passe para o estado gasoso. fazendo com que o gás se expanda. À medida que se expande, já no interior da unidade evaporadora, o gás tende a esfriar, mas ao mesmo tempo absorve o calor da serpentina que passa por essa unidade, e mantém sua temperatura constante, provocando o resfriamento da serpentina e dos dissipadores de calor que a circundam e que são ventilados pelo ventilador que contém a unidade evaporadora.
Este ponto do processo em detalhe resulta numa mistura de líquido e gás, a baixa temperatura e pressão. Essa mistura de gás líquido e frio se move pelos tubos que compõem a serpentina dentro do evaporador ou unidade evaporadora (observe que o nome da unidade evaporadora é mantido pela aplicação prática original do ciclo termodinâmico de Carnot, que era com água líquida e em seu estado gasoso, vapor) e ao passar pela serpentina, adquire novamente o estado gasoso completamente. O gás refrigerante resultante retorna à entrada do compressor para ser liquefeito novamente e completar o ciclo termodinâmico.
A discussão acima é baseada no ciclo teórico de refrigeração por compressão dos chamados gases "ideais" e não leva em consideração os efeitos do mundo real, como atrito, queda de pressão no sistema, pequenas irreversibilidades durante a compressão do gás refrigerante e comportamento não ideal do gás na realidade do mundo físico.
Ciclo de absorção de vapor
Nos primeiros anos do século, o ciclo de absorção de vapor utilizando sistemas de água-amônia era popular e amplamente utilizado, mas, após o desenvolvimento do ciclo de compressão de vapor, perdeu grande parte da sua importância devido ao seu baixo coeficiente de desempenho (cerca de um quinto do ciclo de compressão de vapor). Hoje, o ciclo de absorção de vapor é usado apenas quando o calor é mais fácil de obter do que a eletricidade, como o calor residual fornecido por coletores solares ou o resfriamento fora da rede em veículos recreativos.
O ciclo de absorção é semelhante ao ciclo de compressão, exceto pelo método de aumento da pressão do vapor refrigerante. No sistema de absorção, o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante em um líquido adequado, um líquido que aumenta a pressão da bomba e um gerador de calor que também inicia o vapor refrigerante do líquido de alta pressão. Algum trabalho é exigido pela bomba de líquido, mas, para uma determinada quantidade de refrigerante, é muito menor do que o necessário para o compressor no ciclo de compressão de vapor. Em um refrigerador de absorção, é utilizada uma combinação adequada de refrigerante e absorvente. As combinações mais comuns são amônia (refrigerante) e água (absorvente) e água (refrigerante) e brometo de lítio (absorvente).
ciclo do gás
Quando o fluido de trabalho é um gás que é comprimido e expandido, mas não muda de fase, o ciclo de refrigeração é denominado ciclo de gás. Na maioria das vezes, o ar é esse fluido de trabalho. Como não há condensação e evaporação em um ciclo de gás, os componentes correspondentes ao condensador e ao evaporador de um ciclo de compressão de vapor são os trocadores de calor gás-gás quente e frio.
Para temperaturas extremas, um ciclo de gás pode ser menos eficiente do que um ciclo de compressão de vapor porque o gás funciona no ciclo inverso de Brayton em vez do ciclo inverso de Rankine. Portanto, o fluido de trabalho não recebe nem rejeita calor a temperatura constante. No ciclo do gás, o efeito de resfriamento é igual ao produto do calor específico do gás pelo aumento da temperatura do gás no lado da baixa temperatura. Portanto, para a mesma carga de resfriamento, as máquinas do ciclo de refrigeração a gás requerem uma vazão mássica maior, o que por sua vez aumenta seu tamanho.
Devido ao seu menor desempenho e maior volume, o ciclo evaporador não é frequentemente aplicado na refrigeração terrestre. A máquina de ciclo de ar é muito comum, entretanto, em aeronaves a jato com turbina a gás; uma vez que o ar comprimido está prontamente disponível nas seções do compressor dos motores. As unidades de resfriamento e ventilação de aeronaves também servem para aquecer e pressurizar a cabine da aeronave.
O motor Stirling
O motor térmico do ciclo Stirling pode ser acionado em sentido inverso, usando uma energia mecânica de entrada para transferir calor da unidade na direção reversa (ou seja, uma bomba de calor ou refrigerador). Existem diversas configurações de projeto para esses tipos de dispositivos que podem ser construídos. Várias dessas configurações requerem juntas rotativas ou deslizantes, o que pode introduzir compensações difíceis entre perdas por atrito e perdas de líquido refrigerante.
Comparação com calor e energia combinados (CHP)
Uma bomba de calor pode ser comparada a uma combinação de calor e energia (CHP), para uma planta de condensação de vapor, como interruptores para produzir calor, a energia elétrica é perdida ou não está disponível, assim como a energia usada em uma bomba de calor não está disponível. Normalmente, para cada unidade de energia perdida, 6 unidades de calor estarão disponíveis a cerca de 90°C. Assim, a CHP tem um coeficiente de desempenho efectivo (COP) comparado com uma bomba de calor de 6% em média. Como as perdas são proporcionais ao quadrado da corrente, durante os períodos de pico as perdas são muito maiores do que isso e é provável que o uso generalizado, ou seja, o uso generalizado de bombas de calor nas cidades cause sobrecarga nas redes de transmissão e distribuição, a menos que sejam consideravelmente reforçadas.[2][7].
Ciclo de Carnot invertido
Como o ciclo de Carnot é um ciclo reversível, os quatro processos que o compõem são dois processos isotérmicos e dois processos isentrópicos, tudo pode ser revertido assim. Quando isso acontece, é chamado de reversão do ciclo de Carnot. Um refrigerador ou bomba de calor que atua no ciclo reverso de Carnot é chamado de refrigerador de Carnot e bomba de calor de Carnot, respectivamente. No primeiro estágio deste ciclo (processo 1 - 2), o refrigerante absorve calor isotermicamente de uma fonte de baixa temperatura, TL, na quantidade QL. Então, o refrigerante é comprimido isentropicamente (processo 2-3) e a temperatura é elevada para a fonte de alta temperatura, TH. Então, nesta alta temperatura, o refrigerante rejeita calor isotermicamente na quantidade QH (processo 3-4). Também durante esta fase, o refrigerante muda de vapor saturado para líquido saturado no condensador. Finalmente, o refrigerante se expande isentropicamente onde a temperatura cai de volta para a fonte de baixa temperatura, TL (processo 4 - 1).[2].
Coeficiente de desempenho
A eficiência de uma bomba de calor ou refrigerador é dada por um parâmetro denominado coeficiente de desempenho (COP).
O COP de um refrigerador é dado pela seguinte equação:
O COP de uma bomba de calor é dado pela seguinte equação:
Tanto o COP de um refrigerador quanto de uma bomba de calor podem ser maiores que um. A combinação dessas duas equações resulta em:.
Isto implica que COPHP será maior que um, porque COPR será uma quantidade positiva. Na pior das hipóteses, a bomba de calor fornecerá mais energia do que consome, pelo que actua como um aquecedor de resistência. Contudo, na realidade, tal como no aquecimento doméstico, parte do QH é perdida para o ar exterior através de tubagens, isolamento, etc., fazendo com que o COPHP desça abaixo da unidade quando a temperatura do ar exterior é demasiado baixa. Portanto, o sistema utilizado para aquecimento de casas utiliza combustível.
[8].
Para um ciclo de refrigeração ideal:.
Para um ciclo ideal da bomba de calor:.
Para refrigeradores e bombas de calor Carnot, o COP é expresso em termos de temperaturas:.
Referências
[1] ↑ ASHRAE, Inc., ed. (2004). The Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook (en inglés). Atlanta, GA.
[2] ↑ a b c Cengel, Yunus A. and Michael A. Boles (2008). Thermodynamics: An Engineering Approach (en inglés) (6ª edición). McGraw-Hill. ISBN 0-07-330537-5.