Balanço de energia e exergia em ciclo de refrigeração
Um sistema de refrigeração industrial opera com R-134a entre evaporador a −10 °C e condensador a 40 °C. O compressor consome 8 kW e o evaporador remove 25 kW do ambiente refrigerado. O condensador é resfriado por água que entra a 28 °C e sai a 35 °C. O gerente de energia propõe reduzir a temperatura de condensação para 35 °C para “melhorar o COP”, mas o compressor tem limite de pressão de descarga e o evaporador está próximo do ponto de congelamento da carga.
1. Calcule o COP do ciclo e discuta se a redução da temperatura de condensação é sempre benéfica.
Read the worked answer
COP = Q_frio/W_comp = 25/8 = 3,125. Reduzir a temperatura de condensação de 40 para 35 °C diminui a diferença de temperatura entre a fonte quente e a fria, o que, em princípio, reduz o trabalho específico de compressão e aumenta o COP. Porém, há limites: a pressão de descarga deve permanecer dentro da faixa do compressor, a água de resfriamento a 28 °C limita a aproximação no condensador e a redução pode exigir maior área de troca. Além disso, se o evaporador já opera próximo ao congelamento da carga, reduzir ainda mais a temperatura não é possível. Portanto, a medida é benéfica dentro de restrições termodinâmicas e de equipamento, e deve ser avaliada com o ciclo real, não apenas com o COP de Carnot.
2. Calcule o COP máximo de Carnot para as temperaturas dadas e compare com o COP real.
Read the worked answer
Temperaturas absolutas: T_frio = 263 K e T_quente = 313 K. COP_Carnot = T_frio/(T_quente − T_frio) = 263/(313 − 263) = 263/50 = 5,26. O COP real é 3,125, ou cerca de 59% do limite de Carnot. Essa diferença reflete irreversibilidades: atrito, transferência de calor com diferença finita de temperatura, perdas no compressor e queda de pressão. A comparação mostra que há espaço de melhoria, mas o limite de Carnot é inatingível. A análise exergética permitiria localizar as maiores fontes de destruição de exergia, geralmente o compressor e os trocadores com grande aproximação de temperatura.
3. Explique como a vazão de água de resfriamento se relaciona com a carga do condensador e qual o risco de subdimensioná-la.
Read the worked answer
Pelo balanço de energia, a carga do condensador é Q_cond = Q_evap + W_comp = 25 + 8 = 33 kW, desprezando perdas. Com água a cp ≈ 4,18 kJ/kg·K e ΔT = 7 K, a vazão é m = 33/(4,18×7) ≈ 1,13 kg/s. Se a vazão for menor, a água sai mais quente, a temperatura de condensação sobe, a pressão de descarga aumenta e o COP cai, podendo acionar proteções do compressor. Se for excessiva, há desperdício de bombeamento. O dimensionamento deve considerar fouling, margem e a temperatura de bulbo úmido da torre, pois a elevação da temperatura de condensação afeta diretamente o consumo de energia.