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Ciclo de Refrigeração

Neste tutorial você simulará um ciclo completo de refrigeração por compressão de vapor usando propano (R-290) na GUI Clássica do DWSIM. Isso combina compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador em um ciclo termodinâmico fechado.

O que você vai aprender

  • Como modelar um ciclo termodinâmico completo com quatro operações unitárias
  • Como especificar vapor saturado (pressão + fração de vapor) em uma corrente
  • Como ler trabalho do compressor, calor do condensador e calor do evaporador
  • Como verificar o fechamento do ciclo e calcular o COP

Pré-requisitos

Visão Geral do Processo

O ciclo de compressão de vapor é a base de geladeiras, condicionadores de ar e chillers. Propano (R-290) é um refrigerante natural com baixo impacto ambiental: zero potencial de destruição da camada de ozônio e potencial de aquecimento global muito baixo.

O ciclo opera entre duas pressões:

  • Pressão baixa (~2,45 bar): T de evaporação ~ -20 °C
  • Pressão alta (~12,5 bar): T de condensação ~ 32 °C

Coeficiente de Performance (COP) = Q_evap / W_comp. Ciclo R-290 típico: COP 2-5.

Diagrama de Fluxo do Processo

graph LR
    S1["1<br/>Sat. Vapor<br/>2.45 bar"] --> COMP["C-1<br/>Compressor<br/>η=80%"]
    COMP --> S2["2<br/>Superheated<br/>12.5 bar"]
    S2 --> COND["CD-1<br/>Condenser<br/>305 K"]
    COND --> S3["3<br/>Subcooled Liquid"]
    S3 --> VALVE["V-1<br/>Expansion Valve"]
    VALVE --> S4["4<br/>Two-Phase<br/>2.45 bar"]
    S4 --> EVAP["EV-1<br/>Evaporator<br/>253 K"]
    EVAP --> S5["5<br/>Sat. Vapor"]

Parâmetros de Projeto

Parâmetro Valor Unidade
Refrigerante Propane (R-290) -
Pacote Termodinâmico Peng-Robinson -
Pressão de evaporação 2,45 × 10⁵ Pa
Pressão de condensação 12,5 × 10⁵ Pa
Temperatura na saída do condensador 305 (32 °C) K
Temperatura na saída do evaporador 253 (-20 °C) K
Eficiência adiabática do compressor 80 %

Passo a Passo na GUI Clássica

1. Configurar a simulação

File > New Chemical Process Model:

  • Compostos: Propane
  • Pacote Termodinâmico: Peng-Robinson
  • Clique em Finish

Por que Peng-Robinson para propano?

PR é o padrão da indústria para refrigerantes hidrocarbonetos: uma EOS cúbica precisa para compostos puros apolares em uma ampla faixa de T,P, incluindo o domo de saturação. Isso é crítico para ciclos de refrigeração que cruzam a região bifásica.

2. Definir o Estado 1 (vapor saturado em baixa pressão)

Arraste uma Material Stream e renomeie para 1_evap_out. No editor:

  • Specification Type: troque de Temperature and Pressure para Pressure and Vapor Fraction
  • Pressão: 2,45 bar (245000 Pa)
  • Vapor Fraction: 1.0 (vapor saturado)
  • Molar Flow: 1 mol/s
  • Composição: Propane = 1.0

O DWSIM calcula a temperatura de saturação (~253 K).

Por que especificar Pressão + Fração de Vapor?

Quando a corrente está na saturação (equilíbrio V/L), especificar T+P sobredetermina o estado sobre a curva de saturação. Pressão + Fração de Vapor coloca a corrente exatamente sobre o domo (ex.: VF=1 = vapor saturado, VF=0 = líquido saturado).

Vapor saturado em baixa pressão

3. Inserir o Compressor

Arraste um Compressor da Object Palette para o canvas e renomeie para C-1. No editor:

  • Calculation Mode: Adiabatic
  • Outlet Pressure: 12,5 bar (1250000 Pa)
  • Adiabatic Efficiency: 80 %
  • Connections: Inlet = 1_evap_out, Outlet = criar 2_comp_out, Energy = criar W_comp

4. Inserir o Condensador (Cooler)

Arraste um Cooler chamado CD-1:

  • Outlet Temperature: 305 K, ΔP: 0, Efficiency: 100%
  • Inlet: 2_comp_out, Outlet: criar 3_cond_out, Energy: criar Q_cond

5. Inserir a Válvula de Expansão

Arraste uma Valve chamada V-1:

  • Calculation Mode: Pressure Specification
  • Outlet Pressure: 2,45 bar
  • Inlet: 3_cond_out, Outlet: criar 4_valve_out

(A válvula é isentálpica por padrão; não há ajuste de eficiência.)

Por que válvula isentálpica?

O estrangulamento através de uma válvula de expansão é aproximadamente a entalpia constante porque variações de energia cinética e potencial são desprezíveis e não há trabalho de eixo nem transferência de calor. A válvula reduz a pressão e vaporiza parte do líquido.

6. Inserir o Evaporador (Heater)

Arraste um Heater chamado EV-1:

  • Outlet Temperature: 253 K, ΔP: 0, Efficiency: 100%
  • Inlet: 4_valve_out, Outlet: criar 5_evap_out, Energy: criar Q_evap

Ciclo de refrigeração completo

7. Resolver

F6 LIGADO → Solve. Todos os objetos ficam verdes.

8. Calcular o COP

Clique na corrente de energia W_comp → Results: leia Energy Flow, ex.: 5,5 kW. Clique na corrente de energia Q_evap → Results: leia Energy Flow, ex.: 21 kW. Clique na corrente de energia Q_cond → Results: leia Energy Flow, ex.: 26,5 kW.

COP = Q_evap / W_comp = 21 / 5,5 ≈ 3,8.

Verificação do balanço de energia: Q_cond ≈ Q_evap + W_comp (dentro do arredondamento). Fechamento do ciclo: a temperatura da corrente 5_evap_out deve coincidir com 1_evap_out (~253 K).

Fluxos de energia para cálculo do COP

Resultados e Validação

Variável Esperado Unidade
Balanço de energia: Q_cond = Q_evap + W_comp Dentro de 0,5% kW
Fechamento do ciclo: T5 ≈ T1 Dentro de 0,5% K
COP 2 - 7 -

Resultados esperados

O balanço de energia fecha; o Estado 5 coincide com o Estado 1 em T e P; o COP fica entre 2 e 5.

Entendendo os Resultados

Os quatro processos:

  1. 1→2 (Compressão): aumenta pressão e temperatura
  2. 2→3 (Condensação): rejeita calor em pressão alta → líquido
  3. 3→4 (Expansão): estrangulamento isentálpico → mistura bifásica fria
  4. 4→5 (Evaporação): absorve calor em pressão baixa → vapor

COP > 1 porque o trabalho do compressor é alavancado para movimentar uma quantidade maior de calor.

Automatizando Este Tutorial

Arquivos neste repositório

Veja examples/advanced/01_refrigeration_cycle.py no repositório DWSIM.Tutorials para o script completo (adaptado do teste de validação F01).

Construa o ciclo com dwsim.unitop.add para Compressor, Cooler, Valve e Heater; em seguida use dwsim.unitop.connect e dwsim.solve.run.

O resultado pode variar

O resultado depende da capacidade de raciocínio e do uso correto de ferramentas pelo LLM. Sempre verifique se a simulação corresponde à sua intenção antes de confiar nos números.

Use o DWSIM (via servidor MCP) para construir a seguinte simulação:

- Crie um flowsheet chamado "RefrigerationCycle"
- Adicione Propane como único composto e configure o pacote
  termodinâmico como "Peng-Robinson"
- Adicione uma corrente material chamada "1_evap_out" especificada por
  pressão e fração de vapor: P = 245000 Pa, fração de vapor = 1,0,
  vazão molar = 1 mol/s, composição Propane = 1,0
- Adicione um Compressor "C-1" em modo adiabático com pressão de saída
  = 1250000 Pa e eficiência adiabática = 80%; entrada = 1_evap_out,
  saída = 2_comp_out, corrente de energia = W_comp
- Adicione um Cooler "CD-1" com T de saída = 305 K, perda de carga = 0,
  eficiência = 100%; entrada = 2_comp_out, saída = 3_cond_out,
  corrente de energia = Q_cond
- Adicione uma Valve "V-1" em modo de especificação de pressão com
  pressão de saída = 245000 Pa; entrada = 3_cond_out, saída
  = 4_valve_out
- Adicione um Heater "EV-1" com T de saída = 253 K, perda de carga = 0,
  eficiência = 100%; entrada = 4_valve_out, saída = 5_evap_out,
  corrente de energia = Q_evap
- Resolva o flowsheet
- Reporte o fluxo de energia (kW) de W_comp, Q_cond e Q_evap, e calcule
  o COP como Q_evap / W_comp

Exercícios

  1. Mude a eficiência do compressor para 60%. Como o COP varia?
  2. Aumente a pressão alta para 15 bar. O COP melhora?
  3. Substitua o propano por Isobutane (R-600a) via Edit > Simulation Settings > Compounds. Compare os resultados.

Leitura Complementar

Referências selecionadas da bibliografia técnica do DWSIM. Clique no link DOI para acessar cada artigo.

  • ASHRAE. (2020). ASHRAE Handbook - Refrigeration. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
  • Wilbert F. Stoecker. (1998). Industrial Refrigeration Handbook. McGraw-Hill
  • Ding-Yu Peng & Donald B. Robinson. (1976). A New Two-Constant Equation of State. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. doi:10.1021/i160057a011
  • John M. Schultz. (1962). The Polytropic Analysis of Centrifugal Compressors. Journal of Engineering for Power. doi:10.1115/1.3673381

Próximos Passos

Em Síntese de Amônia, você construirá o circuito Haber-Bosch.