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Apostila Refrigeração 2011.2 Parte 1

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Conhecimentos sobre os sistemas de refrigeração

Text of Apostila Refrigeração 2011.2 Parte 1

  • UFBA Universidade Federal da Bahia

    DEM Departamento de Engenharia Mecnica

    ENG176

    REFRIGERAO E

    AR CONDICIONADO

    PARTE I

    REFRIGERAO

    Prof. Dr. Marcelo Jos Pirani

  • UFBA Universidade Federal da Bahia

    DEM Departamento de Engenharia Mecnica

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    Captulo 1 Conceitos Fundamentais 1.1 Introduo

    Este captulo tem por objetivo apresentar algumas definies termodinmicas e as

    propriedades das substncias mais usadas na anlise de sistemas frigorficos. Mostrar ainda, as

    relaes entre as propriedades termodinmicas de uma substncia pura, que o caso dos fludos

    frigorficos. Esta apresentao, contudo, no se deter em anlises termodinmicas rigorosas, ao

    contrrio, far apenas uma apresentao superficial de tais definies e das propriedades

    termodinmicas e suas inter-relaes suficientes para o propsito deste estudo. Tambm sero

    apresentados os conceitos bsicos relacionados com transferncia de calor.

    1.2 Definies

    Propriedades termodinmicas. So caractersticas macroscpicas de um sistema, como: volume, massa, temperatura, presso etc.

    Estado Termodinmico. Pode ser entendido como sendo a condio em que se encontra a

    substncia, sendo caracterizado pelas suas propriedades.

    Processo. uma mudana de estado de um sistema. O processo representa qualquer

    mudana nas propriedades da substncia. Uma descrio de um processo tpico envolve a

    especificao dos estados de equilbrio inicial e final.

    Ciclo. um processo, ou mais especificamente uma srie de processos, onde o estado inicial

    e o estado final do sistema (substncia) coincidem.

    Substncia Pura. qualquer substncia que tenha composio qumica invarivel e

    homognea. Ela pode existir em mais de uma fase (slida, lquida e gasosa), mas a sua composio

    qumica a mesma em qualquer das fases.

    Temperatura de saturao. Este termo designa a temperatura na qual se d a vaporizao de

    uma substncia pura a uma dada presso. Essa presso chamada presso de saturao para a

    temperatura dada. Assim, para a gua (utiliza-se a gua para facilitar o entendimento da definio

    dada acima) a 100 oC, a presso de saturao de 1,01325 bar, e para a gua a 1,01325 bar de

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    presso, a temperatura de saturao de 100 oC. Para uma substncia pura h uma relao

    definida entre a presso de saturao e a temperatura de saturao correspondente.

    Lquido Saturado. Se uma substncia se encontra como lquido temperatura e presso de saturao, diz-se que ela est no estado de lquido saturado.

    Lquido Sub-resfriado. Se a temperatura do lquido menor que a temperatura de saturao,

    para a presso existente, o lquido chamado de lquido sub-resfriado (significa que a temperatura

    mais baixa que a temperatura de saturao para a presso dada), ou lquido comprimido,

    (significando ser a presso maior que a presso de saturao para a temperatura dada).

    Figura 1.1 Estados de uma substncia pura.

    Ttulo (x). Quando uma substncia se encontra parte lquida e parte vapor, na temperatura de

    saturao (isto ocorre, em particular, nos sistemas de refrigerao, no condensador e no

    evaporador), a relao entre a massa de vapor e a massa total, isto , massa de lquido mais a

    massa de vapor, chamada de ttulo (x). Matematicamente, tem-se:

    t

    v

    vl

    vmm

    mmmx =+= (1.1)

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    Vapor Saturado. Se uma substncia se encontra completamente como vapor na temperatura de saturao, chamada de vapor saturado, e neste caso o ttulo igual a 1 ou 100%, pois a

    massa total (mt) igual massa de vapor (mv).

    Vapor Superaquecido - Quando o vapor est a uma temperatura maior que a temperatura de saturao chamado vapor superaquecido. A presso e a temperatura do vapor superaquecido

    so propriedades independentes, e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para uma

    presso constante. Em verdade, as substncias que chamamos de gases so vapores altamente

    superaquecidos.

    A Figura 1.1 retrata a terminologia que acabou de ser definida para os diversos estados

    termodinmicos em que se pode encontrar uma substncia pura.

    1.3 Propriedades Termodinmicas de uma Substncia

    Uma propriedade de uma substncia qualquer caracterstica observvel dessa substncia.

    Um nmero suficiente de propriedades termodinmicas independentes constitui uma definio

    completa do estado da substncia.

    As propriedades termodinmicas mais comuns so: temperatura (T), presso (P), volume

    especfico (v) e massa especfica (). Alm destas propriedades termodinmicas mais familiares, e que so mensurveis diretamente, existem outras propriedades termodinmicas fundamentais para a

    anlise de transferncia de calor, trabalho e energia, no mensurveis diretamente, que so: energia

    interna (u), entalpia (h) e entropia (s).

    Energia Interna (u). a energia que a matria possui devido ao movimento e/ou foras

    intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes:

    a) Energia cintica interna relacionada velocidade das molculas; b) Energia potencial interna relacionada s foras de atrao entre as molculas. As mudanas na velocidade das molculas so identificadas, macroscopicamente, pela

    alterao da temperatura da substncia (sistema), enquanto que as variaes na posio so

    identificadas pela mudana de fase da substncia (slido, lquido ou vapor).

    Entalpia (h). Na anlise trmica de alguns processos especficos, freqentemente so

    encontradas certas combinaes de propriedades termodinmicas. Uma dessas combinaes ocorre

    quando se tem um processo a presso constante, resultando a combinao u + pv. Assim

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    conveniente definir uma nova propriedade termodinmica chamada entalpia, a qual representada

    pela letra h. Matematicamente, tem-se:

    vpuh += (1.2)

    Entropia (s). Esta propriedade termodinmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substncia ou, segundo outros, a medida da probabilidade de

    ocorrncia de um dado estado da substncia.

    Cada propriedade de uma substncia, em um dado estado, tem somente um valor finito. Essa

    propriedade sempre tem o mesmo valor para um estado dado, independentemente de como foi

    atingido tal estado.

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    1.4 Transferncia de Calor.

    Quando existe uma diferena de temperatura entre dois sistemas (duas regies), a mesma

    tende a desaparecer espontaneamente, pelo aparecimento da forma de energia calor. Ao conjunto

    de fenmenos que caracterizam os mecanismos da transmisso de energia na forma de calor

    denomina-se Transferncia de Calor.

    Teoricamente a transferncia de calor pode ocorrer isoladamente por conduo, conveco ou

    radiao. No entanto, praticamente, as trs formas citadas ocorrem simultaneamente, ficando a

    critrio do interessado o estudo da possibilidade de serem desprezadas uma ou duas das formas, em

    funo do problema analisado.

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    1.4.1 Transferncia de calor por conduo.

    A transferncia de calor por conduo se d atravs da interao entre molculas adjacentes

    de um material, e diretamente proporcional ao potencial da fora motriz (que para o caso a

    diferena de temperatura) e inversamente proporcional resistncia do sistema, que por sua vez

    dependente da natureza e da geometria do mesmo. A forma mais utilizada para correlacionar estas

    grandezas atravs da Lei de Fourier. Esta lei geralmente apresentada, na forma de equao,

    para placas planas (paredes) ou para cilindros (tubos), como mostrado abaixo.

    Figura 1.5 Mecanismos de transferncia de calor. Placas planas (a) e cilindro (b).

    Para placas planas (Figura 1.5.a), a equao de Fourier dada por:

    xTAkQ

    = (1.15) onde: Q o fluxo de calor [W]; k a condutividade trmica [W/m.K];

    A a rea normal ao fluxo de calor [m2];

    T a diferena de temperatura [K]; x a espessura da placa [m].

    Para o caso de cilindros (Figura 1.5.b), tem-se:

    =

    12

    rrTLk2Q

    ln (1.16)

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    onde: Q o fluxo de calor [W]; k a condutividade trmica [W/m.K];

    L o comprimento do cilindro [m2];

    T a diferena de temperatura [K]; r1 o raio interno do cilindro [m].

    r2 o raio externo do cilindro [m].

    A tabela abaixo fornece a condutividade trmica, para temperaturas prximas de 25 C, para alguns materiais mais comuns na engenharia. Valores para outras temperaturas ou outros materiais,

    podem ser encontrados facilmente em textos especializados de transferncia de calor.

    Tabela 1.1 Condutividade Trmica de alguns materiais. Material k [W/m.K] Aos com baixo teor de cromo 37,7 a 48,9 Aos carbono (no ligado) 60,5 a 63,9 Aos inoxidveis 13,4 a 15,1 Alumnio puro 237,0 Cobre puro 401,0 Bronze comercial (90% Cu, 10% Al) 52,0 Prata 429,0 Tijolo comum 0,720 Tijolo cermico oco (10 cm) 0,520 Madeiras (pinho) 0,120 Mantas de fibra de vidro 0,046 Cortia 0,039 Poliestireno rgido 0,027 Folha de amianto (corrugada) 0,078 Poliestireno expandido 0,027 a 0,040

    1.4.2 Transferncia de calor por conveco

    A conveco o pr