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Enunciado

Termodinâmica - Çengel - Termodinâmica - Ed: 7º - Capítulo 11.Problemas - Ex. 34

34. Um ambiente é mantido a -12 °C por um ciclo de refrigeração por compressão de vapor que utiliza o R-134a como refrigerante. Calor é rejeitado para a água de resfriamento que entra no condensador a 20 °C a uma taxa de 0,15 kg/s e sai a 28 °C. O refrigerante entra no condensador a 1,2 MPa e 50 °C e sai como líquido saturado. Considerando que o compressor consome 2,2 kW de potência, determine (a) a carga de refrigeração, em Btu/h, e o COP; (b) a eficiência de segunda lei do refrigerador e a destruição total de exergia no ciclo; e (c) a destruição de exergia no condensador. Considere T0 = 20 °C e cp, água = 4,18 kJ/kg°C.

Passo 1

Letra (a)

As propriedades do R-134a são (Tabelas A-11 a A-13):

P 2 = 1,2   M P a   e   T 2 = 1   h 2 = 278,27 k J k g s 2 = 0,9267 k J k g . K

P 3 = 1,2   M P a   e   x 3 = 0   h 3 = 117,77 k J k g s 3 = 0,4244 k J k g . K

A taxa de calor transferido para a água é a mudança de energia da água da entrada para a saída:

Q ˙ q u e n t e = m ˙ c p T s a i - T e n t r a

= 0,15 4,18 28 - 20 = 5,016   k W

A diminuição de energia do refrigerante é igual ao aumento de energia da água no condensador. Isso é,

Q ˙ q u e n t e = m ˙ h 2 - h 3

m ˙ = 5,016 278,27 - 117,77 = 0,03125 k g s

A carga de refrigeração pode ser obtida fazendo-se um balanço de energia total do sistema em questão. Com isso teremos:

Q ˙ f r i o = Q ˙ q u e n t e - W ˙ e n t r a = 5,016 - 2,2 = 2,816   k W 3412 B t u h 1 k W = 9610 B t u h

O COP será dado por:

C O P = Q ˙ f r i o W ˙ e n t r a

C O P = 2,816   k W 2,2 k W = 1,28

Passo 2

Letra (b)

O COP de um refrigerador reversível operando entre os mesmos limites de temperatura é:

C O P c a r n o t = Q ˙ f r i a W ˙ e n t r a = T f r i a T q u e n t e - T f r i a = - 12 + 273 20 + 273 ) - ( - 12 + 273 K = 8,156

A entrada mínima de energia para o compressor para a mesma carga de refrigeração seria:

W ˙ e n t r a , m i n = Q ˙ f r i a C O P c a r n o t = 0,3453   k W

A eficiência de segunda lei neste caso será dada por:

η I I = W ˙ e n t r a , m i n W ˙ e n t r a = 0,1569 = 15,7 %

A destruição total de exergia no ciclo é a diferença entre a entrada de energia real e a mínima:

E ˙ x d e s t , t o t a l = W ˙ e n t r a - W ˙ e n t r a , m i n = 1,85   k W

Passo 3

Letra (c)

A geração de entropia no condensador é:

s ˙ g , c o n d = m ˙ c p ln ⁡ T 2 T 1 + m ˙ R s 3 - s 4

= 0,15 k g s 4,18 k j k g . ° C ln ⁡ 28 + 273 20 + 273 + 0,03125 k g s 0,4004 - 0,9267 k J k g . K  

= 0,001191 k W k

A destruição de exergia no condensador é calculada por:

E ˙ x d e s t , c o n d = T 0 s ˙ g , c o n d = 293 K 0,001191 k W k = 0,349   k W

Resposta

  1. Q ˙ f r i o = 9610 B t u h e C O P = 1,28
  2. η I I = 15,7 % e E ˙ x d e s t , t o t a l = 1,85   k W
  3. E ˙ x d e s t , c o n d = 0,349   k W
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