Cap

1
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.1

• Máquinas térmicas
• Dispositivos cíclicos, cujo fluido operante
  retorna ao estado inicial no fim de cada ciclo
• Trabalho realizado pelo fluido operante durante
  parte do cíclico
• -
• Trabalho realizado neste fluido operante na fase
  restante
• Balanço de trabalho fornecido pela máquina
• O rendimento de um ciclo de uma máquina térmica
  depende em grande parte da forma como são
  realizados os processos que compõem o ciclo.
• O balanço de trabalho e o rendimento do ciclo são
  maximizados pelos
• processos que necessitam o mínimo trabalho
  possível processos
• processos que realizem o máximo trabalho
  possível reversíveis
• Ciclos Ciclos constituídos
• mais inteiramente por
• eficientes processos reversíveis

2
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
4.2

• Ciclos reversíveis
• impossíveis, na prática, pois não se podem
  eliminar as irreversíbilidades associadas a cada
  processo
• servem como limites superiores ao desempenho de
  ciclos reais
• base para o desenvolvimento de ciclos reais,
  sendo modificados de modo a obter os resultados
  pretendidos.
• Ciclo De Carnot
• ciclo reversível mais conhecido
• proposto em 1824 por Sadi Carnot
• máquina térmica de Carnot
• composto por 4 processos reversíveis 2
  isotérmicos e 2 adiabáticos.
• pode realizar-se em sistema fechado ou com
  escoamento em regime permanente.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.3

• Ciclos de Potência
• Duas importantes da aplicação da termodinâmica
  são a produção de potência e a refrigeração,
  geralmente realizadas por sistemas que funcionam
  com um ciclo termodinâmico.
• Ciclos de potência ciclos termodinâmicos
  segundo os quais funcionam os dispositivos ou
  sistemas utilizados para produzir um débito de
  potência (geralmente denominados motores).
• Ciclos de refrigeração ciclos termodinâmicos
  segundo os quais funcionam os dispositivos ou
  sistemas utilizados para produzir o efeito de
  refrigeração (denominam-se frigoríficos,
  aparelhos de ar condicionado ou bombas de calor)
• Ciclos de vapor fluido operante permanece na
  fase gasosa durante a totalidade do ciclo
• Ciclos de gás fluido operante encontra-se na
  fase de vapor durante parte do ciclo e na fase
  líquida no restante período.
• Ciclos fechados o fluido operante retorna ao
  estado inicial no fim do ciclo, sendo recirculado
• Ciclos abertos o fluido é renovado no fim cada
  ciclo em vez de ser reutilizado.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.4

• Nos motores de automóveis, os gases de combustão
  são expelidos e substituídos por uma mistura nova
  de ar e combustível no fim de cada ciclo. O motor
  funciona num ciclo mecânico, mas o fluido
  operante não completa a totalidade de um ciclo
  termodinâmico.
• As máquinas térmicas são categorizadas
• combustão externa (tais como centrais térmicas a
  vapor), a energia é fornecida ao fluido através
  de uma fonte externa, tal como uma caldeira, poço
  geotérmico, reactor nuclear ou até o Sol
• combustão interna (tal como um motor de
  automóvel), o fornecimento de calor é realizado
  pela queima do combustível no interior da
  fronteira do sistema.
• Os ciclos encontrados nos dispositivos reais são
  de difícil análise devido à presença de efeitos
  complexos, tais como o atrito e a ausência de
  tempo suficiente para o estabelecimento de
  condições de equilíbrio durante o ciclo.
• De forma a tornar o estudo analítico viável é
  necessário manter as complexidades a um nível
  controlável e utilizar algumas simplificações.
• Quando o ciclo real é desprovido de todas as
  irreversibilidades internas e complexidades,
  obtém-se um ciclo que se assemelha bastante a um
  composto totalmente por processos internamente
  reversíveis ciclo ideal

5
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.5

• Os motores térmicos são projectados, com o
  intuito de converter formas de energia
  (geralmente na forma de calor) em trabalho, sendo
  o seu desempenho expresso em termos do rendimento
  térmico ?t que representa a razão entre o
  trabalho útil produzido pela máquina e o calor
  total recebido.
• As máquinas térmicas que funcionam num ciclo
  totalmente reversível como o de Carnot,
  apresentam o máximo rendimento térmico de todas
  as máquinas térmicas que funcionam entre mesmos
  níveis de temperatura, ou seja, não é possível
  desenvolver um ciclo mais eficiente que o ciclo
  de Carnot.
• A maior parte dos ciclos encontrados na prática
  diferem significativamente do de Carnot,
  tornando-o inadequado como ciclo realista.
• Os ciclos ideais são internamente reversíveis
  mas, ao contrário do ciclo de Carnot podem não
  ser externamente reversíveis. Ou seja, podem
  desenvolver irreversibilidades externas ao
  sistema, tal como transferência de calor com
  diferença finita de temperatura. Portanto, o
  rendimento térmico de um ciclo real é geralmente
  inferior ao de um totalmente reversível que
  funciona entre os mesmos limites de temperatura.
  Porém, este é ainda consideravelmente superior ao
  de um ciclo real, devido às idealizações
  utilizadas.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.6

• As idealizações e as simplificações geralmente
  utilizadas na análise de -potência podem ser
  resumidas a
• o ciclo não envolve qualquer atrito ? o fluido
  operante não sofre qualquer perda de carga, à
  medida que se escoa por tubos ou dispositivos
  permutadores de calor.
• todos os processos de expansão e de compressão
  ocorrem em quase-equilíbrio.
• as condutas que ligam os diversos componentes de
  um sistema são bem isoladas sendo desprezável a
  transferência de calor através destas.
• desprezam-se ainda as energias cinética e
  potencial do fluido operante. Isto é válido,
  visto que em dispositivos que envolvam trabalho
  do veio, tais como turbinas, compressores e
  bombas, os termos das energias cinética e
  potencial são geralmente muito pequenos em
  relação a outros termos da equação da energia.
• As velocidades do fluido encontradas nos
  dispositivos, como condensadores, caldeiras e
  tanques, são normalmente baixas, e os caudais de
  fluido sofrem pequenas variações nas suas
  velocidades, implicando variações de energia
  cinética desprezáveis.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.7

• As tubeiras e difusores são os únicos
  dispositivos em que as variações desta energia
  são significativas, pois estes são
  especificamente projectados para grandes
  variações de velocidade.
• Os diagramas de propriedades, tais como os de p-v
  e T-s, serviram como auxiliares valiosos na
  análise de processos termodinâmicos. Em ambos os
  diagramas, a área limitada pelas curvas dos
  processos constitui o trabalho real produzido
  durante o ciclo, que é também equivalente à
  transferência de calor do ciclo.
• Este tipo de ciclo não envolve qualquer
  irreversibilidade interna, sendo a transferência
  de calor o único efeito que pode variar a
  entropia do fluido operante durante o processo.
• Num diagrama T-s, o processo de adição de calor
  procede na direcção do aumento de entropia,
  enquanto um processo de rejeição de calor procede
  na direcção da diminuição de entropia, e um
  isentrópico (internamente reversível e
  adiabático) procede com entropia constante.
• Neste diagrama, a área abaixo da curva do
  processo representa a transferência de calor.
• Qadm área abaixo do processo de adição de calor
  é a medida geométrica do calor total fornecido
  durante o ciclo
• Qsai a área abaixo do processo de rejeição de
  calor é a medida do calor total rejeitado.
• A diferença entre estas duas (a área definida
  pela curva do ciclo) é o balanço de transferência
  de calor ? o balanço de trabalho produzido
  durante o ciclo.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.8

• Portanto, num diagrama T-s, a razão entre a área
  interior ao ciclo e a área abaixo da curva do
  processo de adição de calor representa o
  rendimento térmico do ciclo.
• Qualquer modificação que aumente a razão destas
  duas áreas irá também melhorar o rendimento
  térmico do ciclo.
• Embora o fluido operante de um ciclo de potência
  ideal funcione em circuito fechado, o tipo de
  processos individuais que compõem o ciclo depende
  dos dispositivos individuais empregues para
  realizar o ciclo.
• No ciclo de Rankine que é o ciclo ideal para
  centrais térmicas a vapor, o fluido operante
  atravessa uma série de dispositivos com
  escoamento em regime permanente, tais como
  turbinas e condensadores, enquanto no ciclo Otto,
  que é o ciclo ideal para motores de combustão
  interna a gasolina, o fluido operante é altamente
  expandido e comprimido num dispositivo
  êmbolo-cilindro.
• Portanto, devem-se utilizar as equações relativas
  a sistemas com escoamento em regime permanente na
  análise do ciclo de Rankine e equações relativas
  a sistemas fechados na análise do ciclo de Otto.
• Ciclo de Carnot e o valor na Engenharia
• O ciclo de Carnot, é constituído por quatro
  processos totalmente reversíveis adição
  isotérmica de calor, expansão isentrópica,
  rejeição isotérmica de calor e compressão
  isentrópica.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.9

• Este ciclo pode ser realizado num sistema fechado
  (dispositivo êmbolo-cilindro) ou num sistema com
  escoamento em regime permanente (utilizando duas
  turbinas e dois compressores).
• Pode utilizar-se um gás ou vapor como fluido
  operante. O ciclo de Carnot,é o mais eficiente
  que pode ser realizado entre uma fonte quente à
  temperatura TQ e uma fonte fria à temperatura TF,
  sendo o seu rendimento térmico expresso como

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.10

• A transferência de calor isotérmica e reversível
  é extremamente difícil de alcançar na realidade,
  pois seriam necessários um permutador de calor
  muito grande e um período de tempo muito longo.
• Não é prático construir uma máquina que
  funcionaria num cicio muito próximo do de Carnot.
• O valor real do ciclo de Carnot resulta do facto
  de este ser tido como padrão e comparação de
  ciclos reais ou ideais. O rendimento térmico de
  um ciclo de Carnot é somente função das
  temperaturas das fontes quente e fria.
• O rendimento térmico aumenta com o incremento da
  temperatura média à qual o calor é fornecido ao
  sistema ou com a diminuição da temperatura média
  à qual o calor é rejeitado pelo sistema. ? Ideia
  válida para ciclos reais e ideais.
• As temperaturas das fontes quente e fria que
  podem ser utilizadas na prática estão contudo
  limitadas.
• A temperatura máxima do ciclo está limitada pela
  resistência dos componentes da máquina térmica,
  tais como o êmbolo ou as pás da turbina. A menor
  temperatura está limitada pela temperatura do
  meio de arrefecimento utilizado, tal como um
  lago, um rio ou o ar atmosférico.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.11

• Ciclo a Vapor de Carnot
• Admite -se o vapor de água como fluido operante,
  pois este é vulgarmente utilizado nos ciclos de
  potência a vapor.
• Considere um ciclo de Carnot com escoamento em
  regime permanente realizado na região de
  saturação de uma substância pura.
• O fluido é aquecido de uma forma reversível e
  isotérmica numa caldeira (processo 1-2),
  expandido isentropicamente numa turbina.
  (processo 2-3) condensado de uma forma reversível
  e isotérmica num condensador (processo 3-4) e
  comprimido isentropicamente por um compressor até
  ao estado inicial (processo 4-1).
• Existem várias dificuldades associadas a este
  processo
• 1. A transferência isotérmica de calor de ou para
  um sistema bifásico não é difícil de se alcançar
  na prática visto que mantendo a pressão constante
  no dispositivo, o valor da temperatura de
  saturação virá automaticamente fixado.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.12

• Os processos 1-2 e 3-4 podem ser aproximados por
  caldeiras e condensadores reais.
• Limitar os processos de transferência de calor a
  sistemas bifásicos limita consideravelmente a
  temperatura máxima que pode ser utilizada pelo
  ciclo (deve permanecer inferior ao do ponto
  crítico, 374º C para a água). ? constrange o
  rendimento térmico.
• Qualquer tentativa para aumentar a temperatura
  máxima do ciclo ? a transferência de calor para
  o fluido operante que se encontra numa única
  fase, sendo difícil de realizar isotermicamente.
• 2. O processo de expansão isentrópica (processo
  2-3) pode ser aproximado por uma turbina bem
  projectada.
• O título de vapor diminui durante este processo.
  ? a turbina processará vapor com elevado teor de
  humidade ? A colisão de gotas de líquido nas pás
  da turbina provoca a sua erosão. Portanto vapor
  com título inferior a cerca de 90 não pode ser
  utilizado em centrais térmicas. Este problema
  poderia ser eliminado através da utilização de um
  fluido operante que apresente uma linha de vapor
  saturado muito inclinada.
• 3. A compressão isentrópica (processo 4-1)
  envolve a compressão de uma mistura de líquido e
  vapor para líquido saturado. Existem 2
  dificuldades
• - não é fácil controlar o processo de condensação
  com precisão suficiente, de modo a obter o título
  desejado no estado 4

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.13

• - não é viável projectar um compressor que
  processe 2 fases
• Alguns destes problemas podem ser eliminados pela
  realização do ciclo de Carnot de uma forma
  diferente,(fig b).
• Surgem outros problemas, tais como a compressão
  isentrópica até pressões extremamente elevadas e
  a transferência de calor isotérmica a pressões
  variáveis.
• Conclui-se que o ciclo de Carnot não pode ser
  aplicado aos dispositivos reais, não podendo ser
  utilizado como modelo adequado para ciclos vapor.
  
• Ciclo de Rankine O Ciclo Ideal de Potência a
  Vapor
• Muitas das dificuldades podem ser eliminadas
  através do sobreaquecimento do vapor numa
  caldeira e a completa condensação num
  condensador. O resultado é o ciclo de Rankine,
  que não envolve quaisquer irreversbilidades
  internas e consiste nos seguintes quatro
  processos

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.14

• 1-2 Compressão isentrópica numa bomba
• 2-3 Adição de calor a pressão constante numa
  caldeira
• 3-4 Expansão isentrópica numa turbina
• 4-1 Rejeição de calor a pressão constante num
  condensador
• Na bomba entra água como líquido saturado
  (estado 1), sendo comprimida isentropicamente até
  à pressão de serviço da caldeira.
• A temperatura ?, devido à ligeira ? do volume
  específico da água.
• A água entra na caldeira como líquido comprimido
  (estado 2), saindo como vapor sobreaquecido
  (estado 3).
• A caldeira consiste basicamente num permutador de
  calor de grandes dimensões onde o calor cedido
  pelos gases de combustão, reactores nucleares ou
  outras fontes é transferido para a água a pressão
  essencialmente constante.
• A caldeira, em conjunto com a secção onde o
  vapor é sobreaquecido (sobreaquecedor), é
  denominada gerador de vapor.
• O vapor sobreaquecido (estado 3) entra na
  turbina onde é expandido isentropicamente,
  produzindo trabalho pela rotação do veio ligado
  ao gerador eléctrico.
• Durante este processo, a temperatura e a pressão
  do vapor ? para os valores do estado 4, e o vapor
  entra no condensador.

15
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.15

• Neste estado o vapor encontra-se geralmente na
  fase saturada com elevado título.
• O vapor é condensado a pressão constante no
  condensador, que é basicamente um permutador de
  calor de grandes dimensões, pela rejeição de
  calor para o meio de arrefecimento, tal como um
  rio, lago ou atmosfera.
• O vapor sai do condensador como líquido saturado
  e entra na bomba, completando o ciclo. Em regiões
  onde a água é um bem precioso, as centrais são
  arrefecidas por ar.
• A área abaixo da curva do processo no diagrama
  T-s representa o calor transferido em processos
  internamente reversíveis.
• A área abaixo da curva do processo 2-3 representa
  o calor transferido para a água na caldeira.
• A área abaixo da curva do processo 4-1 representa
  o calor rejeitado no condensador.
• A diferença entre estes dois valores (área
  definida pelo ciclo) representa o trabalho
  produzido pelo ciclo.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.16

• Maquinas Frigorificas e Bombas de Calor
• 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.
• Outros ciclos incluem
• refrigeração em cascata (utiliza mais de um
  ciclo)
• refrigeração a gás, ( frigorigénio permanece na
  fase gasosa durante todo o ciclo)
• refrigeração por absorção (frigorigénio é
  dissolvido num líquido antes de ser comprimido)
• refrigeração termoeléctrica (a refrigeração é
  produzida através da passagem de corrente
  eléctrica através de dois materiais
  dissimilares).
• Sabe-se por experiência que o calor se escoa na
  direcção da diminuição da temperatura.
• Este processo de transferência de calor ocorre na
  natureza sem necessidade de qualquer dispositivo.
  
• O processo inverso não ocorre espontaneamente. A
  transferência de calor de uma região a uma baixa
  temperatura para outra a uma temperatura elevada
  requer dispositivos especiais denominados
  máquinas frigoríficas ou frigoríficos.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.17

• As máquinas frigoríficas são dispositivos
  cíclicos, sendo o fluido operante empregue
  denominado frigorigénio.
• QF calor retirado do espaço arrefecido à
  temperatura TF
• QQ calor rejeitado para o espaço quente à
  temperatura T Q
• Wbal,adm balanço de trabalho admitido na
  máquina frigorífica..
• Outro dispositivo que transfere calor de um meio
  a uma baixa temperatura para um meio a uma
  temperatura superior é a bomba de calor. As
  máquinas frigoríficas e as bombas de calor são
  essencialmente os mesmos dispositivos, diferindo
  apenas nos seus objectivos.
• A função de uma máquina frigorífica é manter o
  espaço arrefecido a uma temperatura baixa através
  da remoção de calor. A descarga de calor para um
  meio a temperatura superior é apenas uma operação
  necessária mas não o seu intuito.
• O objectivo de uma bomba de calor é manter um
  espaço aquecido a uma temperatura elevada. Isto é
  conseguido através da absorção de calor de uma
  fonte fria, tal como a água de um poço ou ar frio
  exterior no Inverno e fornecê-lo a um meio mais
  quente, tal como o interior de uma casa.
• O desempenho de máquinas frigoríficas e bombas de
  calor é expresso em termos de coeficiente de
  desempenho (COP)

18
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.18

• Estas relações podem também ser expressas na
  forma de taxa substituindo as quantidades QF ,
  QQ e Wbal,adm por
• Note que ambos COPBC e COPF podem ser superiores
  à unidade, sendo a relação entre eles
• COPBC COPF 1
• Esta relação implica que COPBc gt 1, visto que
  COPF é uma quantidade positiva, i.e., uma bomba
  de calor irá funcionar, no pior caso, como um
  aquecedor eléctrico de resistências, fornecendo a
  mesma energia para o interior de uma casa como a
  que consome.
• Na realidade, parte de QQ é perdido para o
  exterior através das condutas e outros
  dispositivos, e COPBC pode ser inferior à unidade
  quando a temperatura exterior é demasiado baixa
  (o sistema de aquecimento central normalmente
  comuta para resistências eléctricas ou para um
  combustível).

19
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.19

• Ciclo de Carnot Inverso
• Visto que é um ciclo reversível, todos os quatro
  processos podem ser invertidos.
• A inversão do ciclo também troca as direcções de
  quaisquer interacções de calor de trabalho. O
  resultado é um ciclo que funciona na direcção
  anti-horária, denominado ciclo de Carnot inverso.
  
• Uma máquina frigorífica, ou bomba de calor, que
  opera segundo este ciclo denomina-se máquina
  frigorífica de Carnot, ou bomba de calor de
  Carnot.
• Considere um ciclo de Carnot inverso realizado no
  interior da região de saturação de um
  frigorigénio.
• processo 1-2 absorve calor QF isotermicamente da
  fonte fria aTF
• processo 2-3 comprimido isentropicamente até ao
  estado 3 (a temperatura eleva-se para TQ),
• processo 3-4 rejeita calor QQ isotermicamente
  para a fonte quente a TQ (frigorigénio muda do
  estado de vapor saturado para o de líquido
  saturado no condensador)
• processo 4-1 expande-se isentropicamente para o
  estado 1 (a temperatura desce para T F).

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.20

• Os coeficientes de desempenho das máquinas
  frigoríficas e das bombas calor de Carnot são
• Nota os COP aumentam, à medida que a diferença
  entre duas temperaturas diminui, i.e., T F ? e T
  Q. ?
• O ciclo de Carnot inverso é o mais eficiente a
  funcionar entre dois reservatórios de temperatura
  definidas, não sendo, no entanto, o é modelo
  adequado para os ciclos em estudo.
• Os processos isotérmicos de transferência de
  calor podem ser realizados, já que a manutenção
  da pressão constante automaticamente fixa a
  temperatura de uma mistura bifásica no valor de
  saturação, logo os processos podem ser
  aproximados nos evaporadores e condensadores
  reais.
• Mas o processo 2-3 envolve a compressão de uma
  mistura de líquido e saturado que necessita de um
  compressor capaz de funcionar com duas fases e o
  4-1 envolve a expansão de frigorigénio com
  elevado teor de humidade.
• Aparentemente, estes problemas poderiam ser
  eliminados pela execução do ciclo de Carnot
  inverso fora da região de saturação. Mas neste
  caso seria difícil as condições isotérmicas
  durante os processos de absorção e de rejeição de
  calor.

21
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.21

• Ciclo Frigorífico Ideal por Compressão de Vapor
• Muitas das dificuldades associadas ao ciclo
  inverso de Carnot podem ser eliminados pela
  vaporização completa do frigorigénio antes de ser
  comprimido e pela substituição da turbina por um
  dispositivo estrangulador, tal como uma válvula
  de expansão ou um tubo capilar. O resultado é o
  ciclo frigorífico ideal por compressão de vapor
• Este ciclo é o mais utilizado em frigoríficos,
  aparelhos de ar condicionado e bombas de calor,
  sendo constituído por quatro processos
• 1-2 Compressão isentr6pica num compressor
• 2-3 Rejeição de calor a pressão constante num
  condensador

22
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.22

• Num ciclo frigorífico ideal por compressão de
  vapor, o frigorigénio
• Estado 1 entra no compressor como vapor
  saturado, sendo comprimido isentropicamente até à
  pressão do condensador (a temperatura do fluido
  eleva-se acima do valor do meio ambiente).
• Estado 2 entra no condensador na fase de vapor
  sobreaquecido
• Estado 3 sai como líquido saturado, resultante
  da rejeição de calor para a vizinhança. (a
  temperatura do fluido é ainda superior à da
  vizinhança).
• O frigorigénio é estrangulado até à pressão do
  evaporador, devido à passagem por uma válvula de
  expansão ou tubo capilar. A temperatura do fluido
  diminui para um valor inferior ao da temperatura
  do meio arrefecido.
• Estado 4 entra no evaporador como uma mistura
  saturada com um valor reduzido de título, sendo
  totalmente vaporizado, devido à absorção de calor
  do espaço refrigerado.
• O fluido sai do evaporador como vapor saturado e
  entra novamente no compressor, completando o
  ciclo.
• Num frigorífico doméstico, o compartimento do
  congelador serve de evaporador, onde calor é
  absorvido pelo frigorigénio. A serpentina
  localizada na traseira serve de condensador, onde
  calor é dissipado para o ar exterior.

23
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.23

• A área abaixo da curva do processo num
  diagrama T-s representa a transferência de
  calor de processos internamente reversíveis.
• A área abaixo do processo 4-1 representa o
  calor absorvido pelo frigorigénio no
  evaporador, e a área abaixo de 2-3 representa
  o calor rejeitado no condensador.
• Como regra geral, o COP melhora em 2 a 4 por
  cada C de aumento da temperatura do evaporador
  ou diminuição da temperatura do condensador.
• Outro diagrama frequentemente utilizado na
  análise de ciclos frigoríficos por compressão de
  vapor é o P-h. Neste, três ou quatro processos
  surgem como linhas rectas, e a transferência de
  calor no condensador e no evaporador é
  proporcional aos comprimentos das curvas
  correspondentes aos processos.
• Note-se que, o ciclo de refrigeração ideal por
  compressão de vapor não é internamente
  reversível, devido à existência de um processo
  irreversível (estrangulamento). Se o dispositivo
  de estrangulamento fosse substituído por uma
  turbina isentrópica, o fluido entraria no
  evaporador no estado 4 em vez de no estado 4.
  Devido a isto, a capacidade de refrigeração
  aumentaria e o trabalho fornecido diminuiria (no
  valor do trabalho debitado pela turbina).
  Contudo, esta substituição não seria viável,
  visto que os benefícios não justificam o custo e
  a complexidade adicionais.

24
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.24

• Todos os quatro componentes associados à
  refrigeração por compressão de vapor são de
  escoamento em regime permanente, pelo que os
  quatro processos que compõem o ciclo podem ser
  analisados como sendo de escoamento em regime
  permanente. As variações das energias cinética e
  potencial são geralmente muito pequenas em
  relação aos termos de trabalho e de transferência
  de calor, podendo ser desprezadas. Assim, a
  equação da energia de escoamento em regime
  permanente por unidade de massa reduz-se a
• (qadm - qsai) (wadm - wsai) hs he
• O condensador e o evaporador não envolvem
  qualquer trabalho, e a compressão pode ser
  aproximada como adiabática. Assim, os COP das
  máquinas frigoríficas e das bombas de calor que
  funcionam com o ciclo frigorífico por compressão
  de vapor podem ser expressos como
• Em que h1hg_at_p1 e h3hf_at_p3 , para o caso ideal.
• Inicialmente, os sistemas de refrigeração eram de
  grandes dimensões, sendo utilizados
  principalmente para a produção de gelo,
  fermentação e armazenamento frio. Não tinham
  controlo automático e eram accionados por
  máquinas a vapor.

25
Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.25

• Nos anos de 1890, iniciou-se a substituição por
  unidades mais pequenas accionadas por motores
  eléctricos com controlo automático, surgindo
  sistemas de refrigeração em talhos e residências.
  
• Em 1930, os melhoramentos permitiram a existência
  de sistemas de refrigeração por compressão de
  vapor relativamente eficientes, fiáveis,
  compactos e pouco onerosos.
• Ciclos Frigorificos Reais por Compressão de Vapor
• Num ciclo frigorífico real por compressão de
  vapor difere do ideal devido principalmente às
  irreversibilidades (atrito no fluido que provoca
  perdas de carga e a transferência de calor para a
  vizinhança) que ocorrem nos vários componentes.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.26

• Na prática, pode não ser possível controlar o
  estado do fluido de um modo muito preciso. É
  mais fácil projectar o sistema, de modo a que o
  frigorigénio se encontre ligeiramente
  sobreaquecido à entrada do compressor.
• Este ligeiro sobredimensionamento garante que o
  frigorigénio se encontre totalmente vaporizado
  quando entra no compressor. A conduta que liga o
  evaporador ao compressor é geralmente muito
  comprida e a perda de pressão provocada pela
  perda de carga no fluido e a transferência e
  calor da vizinhança para o frigorigénio podem ser
  muito significativas.
• O resultado do sobreaquecimento, é o aumento do
  volume específico que eleva o valor da potência a
  fornecer ao compressor (trabalho de escoamento em
  regime permanente é proporcional ao volume
  específico).
• O processo de compressão num ciclo ideal é
  internamente reversível e adiabático, sendo
  portanto isentrópico. Contudo, o processo de
  compressão real envolve efeitos de atrito que
  aumentam a entropia e a transferência de calor,
  que poderão aumentar ou diminuir a entropia do
  frigorigénio, dependendo da direcção.
• A entropia pode ? (processo 1-2) ou ? (processo
  1-2) durante uma compressão real, dependendo do
  efeito predominante.
• O processo de compressão 1-2' pode até ser mais
  desejável do que um processo isentrópico, visto
  que o volume específico do frigorigénio, e
  portanto o trabalho fornecido, é inferior. Nas
  situações reais, é inevitável alguma perda de
  carga do condensador e nas condutas de ligação
  entre este último e o compressor e para a válvula
  de estrangulamento.

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Capítulo 5b Segunda Lei Ciclos
Termodinâmica
Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano
5.27

• Não é fácil realizar o processo de condensação
  com uma precisão tal que o frigorigénio se
  encontre em líquido saturado no final, sendo
  indesejável conduzi-lo para a válvula antes de se
  condensar. Portanto, o frigorigénio é
  ligeiramente subarrefecido antes de entrar na
  válvula de expansão. Isto não é relevante, visto
  que neste caso o fluido entra no evaporador com
  uma entalpia inferior, podendo assim absorver
  mais calor do espaço arrefecido.
• A válvula de expansão e o evaporador são
  geralmente localizados próximos um do outro, de
  modo a que a perda de carga da conduta de ligação
  seja pequena.