Máquinas frigoríficas: Professor orientador: Carlos Pinto Aluno: Nuno Brites Ano Lectivo 2011/2012

Escola Secundária com 3º Ciclo do Ensino Básico de Ponte de Sor Realizado no âmbito de Tecnologias e Processos 12º Ano, Turma F / Curso Profissional de Energias Renováveis – Variante de Sistemas Solares

Máquinas frigoríficas Professor orientador: Carlos Pinto Aluno: Nuno Brites Ano Lectivo 2011/2012

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Índice 1. Introdução ....................................................................................................... 5 2. Máquinas frigoríficas ....................................................................................... 6 3. Eficiência das máquinas m áquinas frigoríficas ........................... ............. ........................... .......................... ........................ ........... 8 4. Ciclo de refrigeração ......................... ............ .......................... ........................... ........................... .......................... ...................... ......... 9 5. Tipos de ciclos de refrigeração ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .................. ..... 10 5.1. Ciclo de compressão de calor ........................... .............. .......................... .......................... .................. ..... 10 5.2. Ciclo de absorção de calor ......................... ............ .......................... ........................... ......................... ........... 11 5.3. Ciclo de gás ..................................................................................... 12 5.4. Ciclo de Stirling ................................................................................ 13 Frigorífico .......................................................................................................... 14 Conclusão ......................................................................................................... 16 Webgrafia ......................................................................................................... 17

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Índice de ilustrações Ilustração 1 - Princípio do funcionamento de uma máquina frigorífica ................ ............. ... 6 Ilustração 2 - Frigorífico ...................................................................................... 7 Ilustração 3 - Congelador........................... .............. .......................... .......................... .......................... .......................... .................. ..... 7 Ilustração 4 - Diagrama do ciclo de uma máquina frigorífica por compressão simples ................................................................................................................ 9 Ilustração 5 - Esquema do ciclo de compressão de vapor ......................... ............ .................... ....... 10 Ilustração 6 - Ciclo de compressão no diagrama de Mollier .................. .... ......................... ........... 11 Ilustração 7 - Diagrama PV e TS de um ciclo de Stirling .................. ..... .......................... ................ ... 13 Ilustração 8 - Componentes do frigorífico .......................... ............. .......................... .......................... .................. ..... 15

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1. Introdução No âmbito do Curso de Energias Renováveis  – Variante de Sistemas Solares, da Escola Secundária com 3º Ciclo do Ensino Básico de Ponte de Sor foi proposto a elaboração de um trabalho com o termo “ Máquinas frigoríficas”.

Uma das aplicações principais da termodinâmica consiste na refrigeração, que representa a transferência de calor de uma região a uma temperatura inferior para outra a uma temperatura superior. O ciclo frigorífico mais vulgar é o de compressão de vapor , no qual o frigorigénio é vaporizado e condensado alternadamente, sendo a compressão realizada na fase de vapor.

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2. Máquinas frigoríficas As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca congeladora, recebem trabalho (através da energia eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de modo a retirarem energia sob a forma de calor do seu interior, transferindo-a por condução para o exterior.

Deste modo, por exemplo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma temperatura baixa, próxima de 0 ºC, enquanto que a parte de trás de um frigorífico está normalmente a uma temperatura superior à do meio ambiente onde se encontra.

Ilustração 1 - Princípio do funcionamento de uma máquina frigorífica

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Da mesma forma que nos deparamos com máquinas térmicas no nosso quotidiano, também nos deparamos com as máquinas frigoríficas (ou bombas de calor). Exemplos: frigoríficos e congeladores. Nessas máquinas, o fluido de trabalho é submetido a um ciclo de sentido anti-horário, dessa forma ele retira certa quantidade de calor da fonte fria; e cede calor para a fonte quente. Sabemos que essa passagem de calor da fonte fria para a fonte quente não é espontânea, pois ela é realizada através de um trabalho externo. Sendo assim, não viola o enunciado de Clausius da segunda lei da termodinâmica. “É

impossível transferir energia sob a forma de calor de forma espontânea, de uma fonte fria para uma fonte quente. ” Clausius 

Ilustração 2 - Frigorífico

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3. Eficiência frigoríficas

das

máquinas

A eficiência () de uma máquina frigorífica é a relação entre a quantidade de calor retirada da fonte fria (  ) e o trabalho externo ( ) necessário para essa transferência. Então:



  | |

Ao contrário do rendimento de uma máquina térmica, a eficiência pode ser maior que 1. A eficiência típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Por exemplo, se a eficiência for igual a 5, então o frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (do interior do frigorífico) para a fonte quente (do exterior), por cada 1 J de energia eléctrica que consome.

Seria impossível que a máquina frigorífica retirasse energia da fonte fria, sem receber qualquer energia do exterior (sem receber trabalho), uma vez que tal não estaria de acordo com a 2ª lei da termodinâmica.

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4. Ciclo de refrigeração O ciclo de refrigeração ou ciclo frigorífico é um ciclo termodinâmico que constitui o modelo matemático que define o funcionamento das máquinas frigoríficas e das bombas de calor.

Ilustração 4 - Diagrama do ciclo de uma máquina frigorífica por compressão simples

Aqui está representado o diagrama do ciclo de uma máquina frigorífica por compressão simples: 1) condensador, condensador, 2) válvula de expansão, 3) evaporador, 4) compressor.

Não há diferença no princípio de funcionamento entre uma máquina frigorífica e uma bomba de calor. A única diferença reside na sua finalidade.

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5. Tipos de ciclos de refrigeração refrigeração Existem quatro tipos de circulação. São os seguintes: 







5.1. Ciclo de compressão de vapor; 5.2. Ciclo de absorção de vapor; 5.3. Ciclo de gás; 5.4. Ciclo de Stirling.

5.1. Ciclo de compressão de vapor O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado em equipamentos frigoríficos para produção de frio: para conforto térmico ambiente e para congelamento de produtos. Foi idealizado por Lord Kelvin.

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Ilustração 6 - Ciclo de compressão no diagrama de Mollier

5.2. Ciclo de absorção de vapor No início do século XX, o uso de sistemas de absorção de vapor via água e amónia tornou-se popular e muito usual. No entanto, o aparecimento do ciclo de compressão de vapor começou a ganhar mais popularidade no seu uso devido a ser cinco vezes mais rentável do que o sistema de absorção de vapor. Por exemplo, hoje em dia o ciclo de absorção é apenas usado onde existe desperdício de calor ou onde esse pode ser obtido por painéis solares. Não existem diferenças no ciclo de compressão no que diz respeito ao método de subir a pressão do vapor refrigerante. No sistema de absorção, o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante num líquido adequado, uma bomba que faz subir a pressão do líquido e por um

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5.3. Ciclo de gás O ciclo de gás consiste num ciclo de refrigeração que utiliza um gás que é comprimido e expandido, mas que não muda de fase. O fluido mais utilizado é o ar. Como não existe condensação e evaporação num ciclo de gás, os componentes correspondentes ao condensador e ao evaporador num ciclo de compressão de vapor são os permutadores de calor de gás quente para gás frio. O ciclo de gás é menos eficiente que o ciclo de compressão de vapor, uma vez que trabalha com base num ciclo Brayton inverso em vez de sobre um ciclo Rankine inverso. Como tal, o fluido não recebe nem rejeita calor a um temperatura constante. Devido à sua menor eficiência e maior volume, os refrigeradores de ciclo de ar não são frequentemente f requentemente aplicados em refrigeração terrestre. Contudo, a máquina de ciclo de ar é bastante comum em aviões comerciais a jacto, uma vez que existe ar comprimido disponível, obtido nos módulos de compressão dos reactores As unidades de arrefecimento e ventilação destes aviões a jacto também servem para pressurizar a cabine.

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5.4. Ciclo de Stirling O ciclo de Stirling em quatro fases: contracção, aquecimento, expansão e arrefecimento (obviamente, estes termos são relativos ao gás em uso no motor). Graficamente, podemos representar este ciclo da seguinte forma:

Ilustração 7 - Diagrama PV e TS de um ciclo de Stirling

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5. Frigorífico O frigorífico é o exemplo mais prático para explicar o funcionamento de uma máquina frigorífica. Ela funciona tendo em base três pontos básicos: 





O calor transfere-se das zonas quentes para as zonas frias (ou menos quentes); A pressão é proporcional à temperatura. Ou seja, aumentando a pressão, aumenta-se a temperatura; A evaporação de um líquido retira calor. Fenómeno análogo à sensação de frescura sentida pela evaporação de álcool sobre a pele, ou pela transpiração.

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Ilustração 8 - Compon Componentes entes do frigorífico



Compressor: tem a função de realizar trabalho sobre o gás, e,

consequentemente,

provocar

sua

movimentação

no

sentido

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6. Conclusão Como vimos, este trabalho é resultado de um estudo minucioso que exigiu, no decorrer do mesmo muita análise, síntese e reflexão. Uma das vantagens oferecidas e que considero a mais importante foi o conhecimento que tive a respeito das máquinas frigoríficas.

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7. Webgrafia Aqui encontra-se disponível todo o material consultado para a realização deste trabalho. Internet: 









http://www.eco.edp.pt/pt/particulares/conhecer/equipamentoseficientes/ar-condicionado-bomba-de-calor http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=576&ordem=3 http://www.brasilescola.com/fisica/maquinas-frigorificas.htm http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=14723 http://en.wikipedia.org/wiki/Chiller