Refrigeração e Liquefação.pdf

Refrigeração e Liquefação FURG/EQA : Universidade Federal do Rio Grande/Escola de Química e Alimentos DISCIPLINA: Termodinâmica I Profes Pro fessor sora: a: Marina Curi Schabbach

Sumário Introdução e aplicações;  Introdução Refrigerador de Carnot;  Refrigerador refrigeração;  Ciclos de refrigeração;  Escolha do fluido refrigerante;

refrigerantes;  Principais tipos de fluidos refrigerantes;  Processos de liquefação: Linde, Claude.

Refrigeração e Liquefação Gás natural para produção de GNL

Refrigeração de alimentos

Separação de HC voláteis

Refrigeração O ciclo de refrigeração é um processo de mudança do estado físico do fluido refrigerante (líquido e gasoso). Os fluidos refrigerantes são caracterizados por se condensarem a altas pressões e por evaporarem a baixas pressões. A geração do “frio” nos sistemas de refrigeração se dá justamente pela mudança de estado desse fluido refrigerante de líquido para gasoso. Esse processo é similar a umedecer as mãos com álcool e soprar. Ao evaporar, o álcool retira calor das mãos, assim como o fluido refrigerante, ao evaporar, retira calor dos alimentos.

Refrigeração Absorção de calor em um nível de temperatura mais baixo, usualmente efetuada através da evaporação de um líquido em um processo contínuo, em estado estacionário.

Ciclo de máquina térmica invertido: Calor é transferido de um nível de T mais baixo para um nível superior (fonte externa de energia).

Refrigerador de Carnot 2 etapas isotérmicas |Q F|é absorvido no nível TF |Q Q |é rejeitado no nível TQ  2 etapas adiabáticas

Refrigeração Refrigerador de Carnot

BE em cada equipamento

Coeficiente de desempenho de um Desprezando as variações da refrigerador de Carnot energia cinética e potencial Regime permanente . m constante •

•

•

.

C.O.P 

taxa calor  adsorvido na TF taxa trabalho líquido



QB .

.

WC  WT

Refrigeração .

Refrigerador de Carnot

  ^  

.

.

  ^

^

 

.

0  m H 2  H 3   WC

 

 

^

 

.

0  m H1  H 2   Q B

Coeficiente de desempenho de um refrigerador de Carnot

^   .   ^ 0  m H 3  H 4   Q C     .

  ^

 

^

 

.

0  m H 4  H1   W T

 

 

Refrigeração Ciclos de refrigeração •

•

O ciclo de compressão de vapor (ciclo de Rankine inverso); O ciclo de absorção: o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante num líquido: é a enas

usado onde existe desperdício de calor disponível ou onde o calor pode ser obtido por paineis solares. •

•

O ciclo de gás: trocadores de calor (sem mudança de fase ciclo de Brayton inverso); O ciclo frigorífico Stirling: Tmín  fluídos He e H2 sobre temperaturas extremamente baixas, o aumento da pressão promove queda na temperatura do gás.

Refrigeração Ciclo com compressão de vapor (ciclo de Kelvin) 1->2 líquido evaporado a uma P cte Fornece um meio para absorção de calor a TF (isobárico)

2->3´ compressão isoentrópica (adiabática) 2->3 compressão real (irreversibilidades) e adiabática 3->4 Resfriado e condensado com rejeição de calor a TQ  (isobárico) 4->1 líquido que sai do condensador é retornado a sua P original (isoentálpico)

Refrigeração Ciclo com compressão de vapor (ciclo de Kelvin) Ex.: ar condicionado

Líquido sat. Vapor superaquecido

LV xL > xV

Vapor sat.

Refrigeração Ciclo com compressão de vapor *Desprezando as pequenas variações de energia cinética e potencial

queda de pressão dentro do sistema devida ao atrito, irreversibilidade termodinâmica durante a compressão e o comportamento do fluido refrigerante ser o de um gás não ideal. *Evaporador arrefecimento do ar.

^   ^   Q  F   Q  B  m  H  2   H 1      . . . ^   ^   W   W  C   m  H  3   H  2      .

.

.

.

C .O . P  

Q  B .

W  C 



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^

^

^

 H  2   H  1  H  3   H  2

.

.

.

^

^

Q Q  Q C   m  H  4   H  3 ^

^

 H  4   H  1

Refrigeração Escolha do fluido refrigerante

Principais fluídos refrigerantes Tipos

Exemplos

Aplicações típicas

CFCs (1932)

R12 *ODP

Fabricados até meados da década 1990

HCFCs

R22 *ODP

Refrigeração doméstica e comercial

HFCs

R134a *GWP

Refrigeração doméstica e comercial

HC

R600a R290

Blends

HCFCs e HFCs: R401a, R401b, R409a.

Naturais

CO2 R744 Amônia R717 SO2

Isobutano: refrigeração doméstica e comercial Propano: Refrigeração comercial

ODP: sigla de ozone depletion potential. GWP: sigla de global warming potential .

Refrigeração comercial leve Refrigeração industrial

Refrigeração Propriedades como toxidez, flamabilidade, custo, propriedades de corrosão e variação da Pvap com T são de grande importância na escolha do refrigerante. ar não pode penetrar no sistema de refrigeração: Pvap do refrigerante na Tevaporador = TF> Patm.

Nível da temperatura de refrigeração T F

Exemplo 1 Um ar condicionado de um automóvel utiliza um ciclo de refrigeração baseado na compressão do vapor, onde o fluido de trabalho utilizado é o HFC-134 , o qual é inofensivo ao meio ambiente. Os seguintes dados estão disponíveis para o ciclo. Considere o fluxo de refrigerante de 1 lbm.s-1.

a) b)

Ponto

Estado do fluido

Temperatura

1

Líquido saturado

55 °C = 131 °F

2

Mistura L-V

3

Vapor saturado

4

Vapor superaquecido

5 °C = 41° F

Preencha a tabela com as temperaturas, pressões entalpias e entropias. Avalie o coeficiente de desempenho do ciclo de refrigeração descrito.

Exemplo 1 .

  ^

^

 

.

.

0  m  H 2  H 3   Q B

 

C.O.P 

 

QB .

WC

.

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.

0  m H 3  H 4   W C  0

 

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0  m H 4  H1   QC

 

 



^

^

^

^

H3  H 2 H4  H3

Exemplo 1 Ponto

caminho para próximo ponto

T (°F)

P (psia)

1↓

isoentálpico

131

216,354

56,5

0,1113

2↓

Isobárico

3↓

isoentrópico

41

50,745

109

0,2219

4↓

isobárico

^

^

H

S

( Btu / lb m )

(Btu / lbmR )

Exemplo 1 Ponto

caminho para próximo ponto

T (°F)

P (psia)

1↓

isoentálpico

131

216,354

56,5

0,1113

2↓

Isobárico

41

50,745

56,5

0,1170

3↓

isoentrópico

41

50,745

109

0,2219

4↓

isobárico

139,87

216,354

121,899

0,2219

^

^

H

S

( Btu / lb m )

(Btu / lbmR )

Carta de propriedades termodinâmicas 432

Liquefação N2(l)  refrigeração a baixas temperaturas O2 (l)  transportado em foguetes C3 (l)  combustível domésticos HClOdesinfetante

Liquefação ocorre quando gás é resfriado até uma T na região bifásica (LV). •

•

•

Transferência de calor a uma P cte. Processo de expansão com obtenção de W. Processo de estrangulamento.

Liquefação Processo de Liquefação de Linde Tambiente

 C   o  m   p  r   e  s   s   o  r 

Vapor saturado

A temperatura do gás diminui durante a expansão, exceções He e H 2. ↓ T7 ↑ fração de gás liquefeita.

Liquefação Processo de Liquefação de Claude

 C   o  m   p  r   e  s   s   o  r 

 e  x    p  a  n  s   o  r 

Vapor saturado

Exemplo 2 Deseja-se produzir gás natural liquefeito (GNL), que pode ser considerado metano puro. Metano na corrente de entrada do compressor está nas condições de 1 bar e 280 K (ponto 1), deixa o cooler a 100 bar e 210 K (ponto 3). O tambor de flash é adiabático e opera a 1 bar (P4 = 1 bar). Assume-se que o compressor opera reversível e adiabaticamente. Devido à elevada variação de pressão, um compressor com três estágios com cooler  é utilizado. O primeiro estágio comprime o gás de 1 até 5 bar, o segundo de 5 até 25 bar e o terceiro estágio de 25 até 100 bar, entre os estágios o gás é isobaricamente resfriado até 280 K.Dica: utilize o Perry para consultar as propriedades . a) Calcule a quantidade de trabalho requerida para cada kg de metano que passa através do compressor no processo de liquefação simples . Reposta: 782,89 kJ/kg b) Calcule as frações de vapor e de líquido do metano de saída do tambor de flash no processo simples de liquefação e a quantidade de trabalho requerido no compressor para cada kg de GNL produzido. Resposta x V =0,81 e x L=0,18 W C =4202,12 kJ/kg GNL produzido.

Densidade do GNL 600 > GN VGNL