bomba de calor - lab

8/18/2019 Bomba de Calor - Lab

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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIORFaculdade de EngenhariaDepartamento de Engenharia Electromecânica

U.B.I.– Covilhã, 6 de Junho de 2010

TRABALHO EXPERIMENTAL Nº1TERMODINÂMICA APLICADA I

BOMBA DE CALORCiclo de Refrigeração por Compressão de vapor

AUTORES:

Gilberto Batista, Nº 21717, Eng. ElectromecânicaDaniel Claro, Nº19650, Eng. Electromecânica

DOCENTES:Prof. Doutor Paulo Jorge dos Santos Pimentel de OliveiraEng. Luís Carlos Carvalho Pires

FUNCIONÁRIOSr. João António da Silva Correia


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TRABALHO EXPERIMENTAL Nº1– TERMODINÂMICA APLICADA I

BOMBA DE CALOR– Ciclo de Refrigeração por Compressão de vapor Página 1

I. Introdução

A refrigeração de um sistema termodinâmico, é entendida, como o processo que mantémesse sistema, a uma temperatura inferior à temperatura das suas vizinhanças. Pode tambémentender-se a refrigeração, como o processo termodinâmico pelo qual se transfere energiatérmica de um sistema para outro, a temperatura mais elevada.

Para a efectivação da transferência de energia térmica, as instalações são classificadasem dois grupos:

-instalações de refrigeração por compressão de vapor-instalações de refrigeração por absorção

Referimos nestes apontamentos apenas as instalações por compressão de vapor, já que umaestimativa aponta que 85% dos processos de refrigeração são executados por este tipo deinstalações. Porém, com o desenvolvimento das tecnologias para um melhor aproveitamentoda energia, as instalações de refrigeração por absorção terão no futuro a sua aplicabilidade

bastante mais generalizada.

a. Ciclo de Refrigeração por compressão de vapor

Da 2ª Lei da Termodinâmica, o funcionamento de um ciclo requer a existência de duas“fontes” de energia térmica ou calor, uma “fonte” de energia nobre ou de trabalho, e de umfluido de trabalho operando entre as “fontes” de energia.

Esquematicamente teremos:

Consoante o objectivo do ciclo seja a transferência de energia térmica para a “fonte”de maior temperatura ou da” fonte” de menor temperatura, assim teremos o ciclo funcionadocomo:

-Bomba de Calor (B.C)-Máquina Frigorífica(M.F)

O sistema físico que realiza o ciclo é o mesmo, apenas diferindo nos objectivos finais.


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Define-se um coeficiente de eficiência (de performance ou de comportamento), comoa razão

ℇ = é

é

Assim,

Como Bomba de Calor ℇ . =

Como Máquina Frigorífica ℇ . =

E sendo ℇ . = ℇ . + 1

b. “Hardware” de uma instalação Basicamente o sistema físico onde se realiza o ciclo de refrigeração é constituído por:

a) Compressor cuja função é a de fazer circular o fluido de trabalho e de elevar a pressão. b) Condensador - permutador de calor onde o fluido de trabalho opera a mudança de fase

de condensação (processo exotérmico).c) Evaporador – permutador de calor onde o fluido de trabalho opera a mudança de fase

de evaporação (processo endotérmico).d) Válvula de expansão (ou de laminagem) -válvula onde tem lugar a expansão

isentálpica que dá origem a uma diminuição de pressão e de temperatura.

Figura 1


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c. Parâmetros do Ciclo

Ciclo ideal. Diagramas (T,s) e (p,h)

O ciclo ideal por compressão de vapor é descrito por um conjunto de evoluções

termodinâmicas:Compressor compressão isentrópica do fluido de trabalho na fase de vapor.Condensador - condensação isobárica de vapor sobreaquecido até liquido saturado ou

subarrefecido.Válvula de expansão – expansão isentálpica ou adiabática de líquido saturado ousubarrefecido á saída do condensador até vapor húmido.

Evaporador – evaporação isobárica de vapor húmida á saída da válvula de expansãoaté vapor saturado ou sobreaquecido.

Representado esquematicamente nos diagramas (T, s) e ( p, h)

Ciclo Real

O ciclo real de refrigeração por compressão de vapor mantém basicamente a mesmarepresentação do ciclo ideal. Contudo as evoluções não são processos reversíveis, pelo que osestados termodinâmicos intermédios não são de equilíbrio.

Algumas das limitações práticas da concretização do ciclo ideal podem descrever-se:- Os processos de mudança de fase no condensador e no evaporador não são estritamenteisobáricos;- O processo de compressão no compressor não é precisamente adiabático;- As perdas de pressão nas condutas existem devido à dissipação de energia do fluido detrabalho, que não é invíscido, nas paredes das tubagens;- Como os isolamentos térmicos não são perfeitos haverá perdas e ganhos de energia térmicacom o ambiente em determinadas partes do ciclo.

Análise dos parâmetros do comportamento

Vários parâmetros podem ser considerados para análise das performances do ciclo.

a) Efeito de refrigeração (E.R.)- constitui a energia térmica permutada no evaporadorE.R= ( ℎ ℎ ) (kJ/kg)

b) Efeito de Aquecimento (E.A.) -traduz a energia térmica permutada no condensadorE.A= ( ℎ ℎ ) (kJ/kg)

c) Trabalho de Compressão - é definido pelo consumo de energia eléctrica durante umcerto intervalo de tempo- = (ℎ ℎ ) (kJ/kg)


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d) Caudal mássico por Tonelada de Refrigeração (T.R)- constitui o caudal mássico defluido de trabalho necessário para introduzir um efeito de refrigeração igual a umaT.R.1 T.R.=13896 (kJ/h)

̇ = .( − ) (kJ/h)

e) Deslocamento do compressor por T.R.- é o caudal volumétrico de fluido de trabalho,referenciado à entrada do compressor para produzir um efeito de refrigeração igual auma T.R.

̇ = ̇ × ( /h)

f) Coeficiente de Comportamento - traduz o coeficiente de eficiente para astransferências de energia térmica.

Bomba de Calor ℇ . . =.

−

Máquina Frigorífico ℇ . . =.

−

II. Instalação experimental

A instalação experimental está esquematicamente representada no diagrama em anexo.A instalação está provida de rotâmetros para medição dos caudais de água de banho (nocondensador e no evaporador) e do fluido de trabalho.

Termómetros de mercúrio estão localizados nos pontos mais importantes do ciclo,medindo as temperaturas do fluido de trabalho e da água de banho.

Manómetros metálicos permitem a leitura da pressão á saída do compressor e à saídado evaporador.

A potência consumida pelo compressor pode ser determinada por um wattímetro, emfunção do número total de revoluções do disco, durante um certo intervalo de tempo.

Uma válvula de redução da pressão permite controlar a pressão da água de admissão.A válvula de expansão no circuito pode ser controlada manualmente, chamando-se desde já aatenção no sentido de evitar variações bruscas de caudal do fluido de trabalho.

As “fontes” de energia térmica, operando como reservatórios de calor, em contactocom o condensador e com o evaporador, são constituídos por tanques cilíndricos, através dosquais fluido água.


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III. MEDIÇÃO EXPERIMENTAL

Tabela 1

1º Ensaio 2º Ensaio

Temperatura da água de admissão geral T w (ºC) 16,9 16,9Caudal de refrigerante m r (kg/h) 8,5 8,5Wattímetro. Tempo por revolução (s/rev) 56 57Temperatura Ta (ªC) 22 22Pressão atmosférica p a (bar) 0,92 0,92CONDENSADOR Temperatura da água à saída T wc (ºC) 26 26Temperatura do refrigerante à entrada T rce (ºC) 72 72Temperatura do refrigerante à saída T rcs (ºC) 20,4 20,2Pressão absoluta à entrada p c (bar) 8,8+0,92=9,72 8,8+0,92=9,72Caudal de água m wc (kg/h) 55 55EVAPORADOR

Temperatura da água à saída T we (ºC) 8 8Temperatura do refrigerante à entrada T ree (ºC) -23 -23Temperatura do refrigerante à saída T res (ºC) 10 10Pressão absoluta à saída p e (bar) 0,5+0,92=1,42 0,5+0,92=1,42Caudal de água m we (kg/h) 45 45


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IV. DETERMINAÇÃO DE RESULTADOS

Figura 2 ciclo ideal ciclo real

Efeito de refrigeração (E.R.) - constitui a energia térmica permutada no evaporador

E.R.= (ℎ ℎ ) =(408 224 ) = 184 (kJ/kg)

Pressão no evaporador = 1,42 barTemperatura à saída do evaporador = 10 ºC

=408 [kJ/kg]

Pressão no condensador = 9,72 barTemperatura à saída do condensador = 20,4 ºC

= = 224 [kJ/kg]

Efeito de Aquecimento (E.A.) -traduz a energia térmica permutada no condensador

E.A.= (ℎ ℎ ) =(448 224 ) = 224 (kJ/kg)

Pressão no evaporador = 9,72 barTemperatura à saída do evaporador = 72 ºC

=448 [kJ/kg]

Trabalho de Compressão - é definido pelo consumo de energia eléctrica durante umcerto intervalo de tempo

= (ℎ ℎ ) = 448 408 = 40 → = 40 (kJ/kg)

(É negativo poque o trabalho é consumido pelo compressor)


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Caudal mássico por Tonelada de Refrigeração (T.R)- constitui o caudal mássico defluido de trabalho necessário para introduzir um efeito de refrigeração igual a umaT.R.

1 T.R.=13896 (kJ/h)

̇ =1 .

(ℎ ℎ )(kJ/h)

̇ =( − )

= 75.5 (kJ/h)

Deslocamento do compressor por T.R. - é o caudal volumétrico de fluido detrabalho, referenciado à entrada do compressor para produzir um efeito derefrigeração igual a uma T.R.

̇ = ̇ × = 75,5 × 0,175 = 13,21 ( /h)

Coeficiente de Comportamento - traduz o coeficiente de eficiência para astransferências de energia térmica.

Bomba de Calor ℇ . . =.

−= = 5,6

Máquina frigorífica ℇ . . =.

−= = 4.6

Potência consumida pelo compressor

constante do wattímetro: 166,66 rev/h=1000 Wattτ -tempo por revolução (s/rev) = 56,5 [s]

̇

=

1000∗ 3600

166,6∗ ( )


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̇ =1000∗ 3600166,6∗ 56,5

= 382,32 [ ]

̇ = 8,5 /ℎ = 0,002361 / ̇ = · (ℎ ℎ ) = 0,002361 · ( 448-408)= 94 W

Rendimento do permutador de calor no condensador

= é á

é á

̇ = 8,5 /ℎ = 0,002361 /

̇ = 55 /ℎ = 0,01528 /

= = 22 ̊

= 26 ̊

= _+ _2

=2 2 + 2 6

2= 24 ̊

= 4,18 kJ/kg. K

( ) = 9,72

= 72 ̊ = 20,4 ̊

Recorrendo ao diagrama em anexoℎ = 448 /

Tendo em conta que se trata de um processo real o processo não é isobárico.Supondo que o refrigerante teve uma baixa de 1,8 bar no condensador a sua pressãofinal foi de 7 barPara uma temperatura de 20,4 a uma pressão de 7 bar:ℎ = 224 /

= ̇ ∗(ℎ ℎ )

̇ ∗ ∗( )=

= 0,002361∗ (448 224)0,01528∗ 4,18∗ (72 16,9)

= 0,15 = 15%

Figura 3


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̇ (ℎ ℎ ) + ̇ (ℎ ℎ ) = ̇

̇ = ̇ (ℎ ℎ ) ̇ (ℎ ℎ ) = =0,002361 · (408 448 ) 0,01528 · ( 108,9-71,3) = 0,67

Pressão no condensador = 0,92 (Pressão atmosférica no local)Temperatura à entrada do condensador = 16,9 ºC

= 71,3 [kJ/kg]

Pressão no condensador = 0,92 (Pressão atmosférica no local)Temperatura à saída do condensador = 26 ºC

= 108,9 [kJ/kg]

Rendimento do permutador de calor no evaporador

̇ = 45 /ℎ = 0,0125 /

= _+ _2

=8 + 16,9

2= 12,45 °

= é á é á

= ̇ ∗( − )

̇ ∗ ∗( − ) =

, ∗( − ) , ∗ , ∗( , − )

= 0,93 = 93%

Pressão no evaporador = 0,92 (Pressão atmosférica no local)Temperatura à entrada do evaporador = 16,9 ºC

= 71,3 [kJ/kg]

Pressão no evaporador = 0,92 (Pressão atmosférica no local)Temperatura à saída do evaporador = 8 ºC

= 33,6 [kJ/kg]

̇ (ℎ ℎ ) = ̇ . ( ) + ̇

̇ = ̇ (ℎ ℎ ) ̇ . ( ) = = 0,002361 · (408 224 ) 0,0125 · 4,19 (16.9 8 ) = 0,32 kW


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V. CONCLUSÃO

Deste trabalho concluímos em primeiro lugar que uma bomba de calor é um ciclo derefrigeração por compressão de vapor que requer duas “fontes” de energia térmica, uma“fonte” de energia nobre e um fluido de trabalho operando entre elas.

O objectivo da bomba de calor é fornecer calor ao ambiente quente a partir detrabalho.

O ciclo real da bomba de calor representa basicamente a mesma representação do cicloideal contudo as evoluções não são processos reversíveis pelo que os estados termodinâmicosintermédios não são de equilíbrio, o processo de mudança de fase no condensador e noevaporador não são estritamente isobáricos, o processo de compressão no compressor não é

precisamente adiabático, existem perdas de pressão nas condutas e como os isolamentostérmicos não são totalmente isolantes, houve perdas e ganhos de energia térmica com oambiente, em determinadas partes do ciclo. No nosso caso a queda de pressão no condensadorfoi aproximadamente de 2,72 bar.

Quanto ao rendimento desta bomba de calor obtivemos para o permutador de calor nocondensador 15% e para o do evaporador 93%.

Quanto ao trabalho necessário para o funcionamento do compressor calculámo-loatravés da constante do wattímetro e do diagrama (p,h), obtendo para este último uma

potência muito menor, o que nos leva à conclusão que a energia útil é muito inferior à energiafornecida ao compressor.


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VI. ANEXOS

Figura 4


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Figura 5


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VII. BIBLIOGRAFIA

http://www.technifroid-services.fr/dotclear2/public/mollier_diagram_r409a.pdf

“Termodinâmica”, Y.A. Cengel e M.A Boles, McGraw-Hill, 2001

Tabelas: “Thermodynamic and Transport Properties of Fluids, SI Units”,G.F.C. Rogers e Y.R. Mayhew, Oxford Ed, 1980.
http://www.technifroid-services.fr/dotclear2/public/mollier_diagram_r409a.pdfhttp://www.technifroid-services.fr/dotclear2/public/mollier_diagram_r409a.pdfhttp://www.technifroid-services.fr/dotclear2/public/mollier_diagram_r409a.pdf

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