Um sistema de refrigeração de uma câmara frigorífica para armazenamento de carne utiliza amônia como fluido de trabalho. O sistema deve manter uma temperatura mínima de
e remover uma carga térmica de 5 kW do ambiente refrigerado. Determine a vazão mássica de amônia, considerando um ciclo padrão de refrigeração com temperatura no condensador de
, admitindo que o ambiente externo seja 20
. Qual o coeficiente de desempenho desse ciclo?
Passo 1
Beleza, vamos resolver esse exercício sobre sistemas de refrigeração! A gente precisa descobrir a vazão mássica de amônia e o coeficiente de desempenho desse ciclo. Para isso, vamos usar conceitos de termodinâmica relacionados aos ciclos de refrigeração, especialmente o ciclo de Carnot. Vamos precisar das temperaturas do evaporador e do condensador, além da carga térmica que o sistema precisa remover.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que é o ciclo de refrigeração de Carnot. Ele é um ciclo ideal que nos ajuda a determinar a eficiência máxima possível para um sistema de refrigeração. A fórmula do coeficiente de desempenho (COP) para o ciclo de Carnot é dada por:
Onde
é a temperatura do evaporador e
é a temperatura do condensador, ambas em Kelvin.
Passo 3
Vamos converter as temperaturas de Celsius para Kelvin, porque nas fórmulas termodinâmicas usamos a escala Kelvin. A conversão é feita assim:
Então:
Passo 4
Agora, vamos calcular o COP usando as temperaturas convertidas:
Passo 5
Sabendo o COP, podemos relacionar com a carga térmica que o sistema precisa remover para encontrar a potência necessária. A fórmula que relaciona o COP com a carga térmica (
) e a potência de entrada (
) é:
Rearranjando para encontrar a potência:
Substituindo os valores:
Passo 6
Para encontrar a vazão mássica de amônia (
), precisamos relacionar a potência com a entalpia específica da amônia no ciclo. Usamos a fórmula:
Onde
é a variação de entalpia durante o ciclo. Como estamos assumindo um ciclo de Carnot, essa variação pode ser relacionada às temperaturas e propriedades específicas da amônia. Porém, para simplificar, podemos usar a relação direta entre a carga térmica e o COP:
Assumindo que
(calor específico a pressão constante) da amônia é aproximadamente
e
:
Resposta
A vazão mássica de amônia é aproximadamente
e o coeficiente de desempenho do ciclo é cerca de
.