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CONDUÇÃO DE CALOR EM REGIME ESTACIONÁRIO
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS - CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM
André Vinícius Hollerweger Ceron
Felipe Aurélio Staack
Felipe Gabriel Dadam
Filipi Flôr Teixeira
Guilherme Gomes
Humberto Lafuente Gonçalves
Vinícius Gonçalves da Silva
CONDUÇÃO DE CALOR EM REGIME ESTACIONÁRIO
Joinville, Março de 2015
André Vinícius Hollerweger Ceron
Felipe Aurélio Staack
Felipe Gabriel Dadam
Filipi Flôr Teixeira
Guilherme Gomes
Humberto Lafuente Gonçalves
Vinícius Gonçalves da Silva
MEDIÇÕES DE TEMPERATURA NO CONDENSADOR E NO EVAPORADOR
DE UM REFRIGERADOR DOMÉSTICO
Relatório apresentado como requisito
disciplina de LST2001, no Curso de
Engenharia Mecânica, na Universidade do
Estado de Santa Catarina
Orientador: Prof. Paulo Sérgio Berving
Zdanski
Joinville, Março de 2015
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................1
2. RESUMO TEÓRICO..............................................................................................2
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.................................................................4
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES...........................................................................6
5. CONCLUSÃO..........................................................................................................9
6. BIBLIOGRAFIA....................................................................................................10
1. INTRODUÇÃO
O objetivo deste experimento é determinar a variação da temperatura do
condensador e do evaporador gradativamente em pequenos intervalos de tempo, em um
refrigerador doméstico, durante um ciclo de operação. Além disso, avaliar e comparar
os dados experimentais (máquina real) com os dados teóricos (máquina que opera
segundo o ciclo de Carnot).
Sabe-se que os valores experimentais obtidos não são iguais aos valores ideais,
porém podem ser próximos dependendo de certas condições. Assim, surge a
necessidade de se calcular o coeficiente de eficácia (desempenho) do refrigerador real e
de um refrigerador ideal (operando segundo o ciclo de Carnot). Para tal, é considerado
se o ciclo atua em um regime permanente ou transiente; se há trocas de calor ao longo
do evaporador; e se há trocas de calor ao longo do condensador, observando a diferença
de temperatura com a temperatura ambiente.
Este estudo baseia-se na hipótese de o refrigerador operar segundo um ciclo
ideal, e considera a média das temperaturas do condensador, a temperatura do
evaporador e a do ambiente (laboratório), obtidas experimentalmente.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O ciclo idealizado por Carnot, no qual se transfere calor entre dois reservatórios
em diferentes temperaturas, é composto por dois processos isotérmicos reversíveis e
dois adiabáticos reversíveis. Este processo não possui perdas, por isso, obtém-se um
máximo rendimento. Porém, ao observar o funcionamento de máquinas reais, constata-
se que é impossível que elas operem sem ter algum tipo de perda. Ou seja, o rendimento
de Carnot é impossível de ser alcançado.
Diferentemente do ciclo de Carnot, o ciclo de Rankine se aproxima mais do que
ocorre em máquinas reais. É naturalmente muito mais difícil para um compressor
trabalhar na região que contenha líquido e vapor, uma vez que é impossível comprimir
uma mistura tal como a representada pelo estado 1 da figura 1, e manter o equilíbrio
entre o líquido e o vapor. Isso porque deve haver transferência de calor e de massa
através das fronteiras das fases (Autor, 2008).
Figura 1: Ciclo de Carnot para refrigeração
Os componentes básicos para um ciclo de refrigeração são: compressor,
condensador, válvula de expansão e evaporador.
O processo se inicia com vapor saturado a baixa pressão que entra no
compressor, e sofre uma compressão adiabática reversível (1-2, figura 2), ocasionando
também um aumento da temperatura. Em seguida o vapor superaquecido passa a ser
resfriado no condensador que troca calor com o ambiente até que vire líquido saturado
(2-3). A próxima etapa é a passagem do fluido refrigerante pela válvula de expansão,
acarretando numa diminuição da temperatura e pressão, tornando o refrigerante numa
mistura de líquido e vapor (3-4). Por fim é feita a troca de calor no evaporador (situado
na parte mais fria do refrigerador), onde a mistura de líquido e vapor encontra um
ambiente com baixíssima pressão. Isso faz com que o fluido refrigerante evapore a uma
temperatura muito baixa. O fluido retira calor desse ambiente até atingir o estágio de
vapor saturado e retornar para o compressor fechando o ciclo (4-1).
Uma forma de avaliar o desempenho do refrigerador real é através da equação,
onde QL é a quantidade de calor trocada com o ambiente frio e Wc é o trabalho realizado
pelo compressor.
Figura 2: Ciclo de Rankine para refrigeração
β=QL
|W c|
Equação 1
Porém a obtenção dos dados requeridos pela equação 1 pode ser complexa. Por
isso, pode-se utilizar, como uma boa aproximação, o coeficiente de desempenho de
Carnot, no qual são apenas necessárias as temperaturas dos reservatórios, sendo Tl a
temperatura do evaporador, e Th a temperatura ao longo do condensador (média).
β=T L
T H−T L
Equação 2
Sendo TL temperatura do evaporador e TH temperatura na
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Após uma breve revisão de alguns conceitos de termodinâmica, definiram-se as
etapas do experimento, a fim de se obter dados aplicáveis ao presente estudo. Sabe-se
que no Ciclo de Refrigeração (abordado, neste relatório, em um refrigerador
doméstico), a temperatura do fluido refrigerante varia ao longo do condensador, uma
vez que este elemento é longo: tem sua extensão entre a saída do Compressor e o
Elemento de Controle (válvula de expansão ou tubo capilar). Este oferece resistência à
circulação do fluido, e o direciona para o evaporador. Por isso, a fim de se monitorar a
temperatura em diferentes pontos do condensador, dispôs-se de 7 termopares fixados ao
longo do condensador e evaporador, dispostos da seguinte maneira:
T1 – Saída do compressor; T2 – Tubo vertical do condensador; T3 – 2º passe do
condensador; T4 – 7º passe do condensador; T5 – 11º passe do condensador; T6 – 15º
passe do condensador; T7 – Evaporador.
Figura x – esquematização do posicionamento dos termoparesFonte: http://www.embraco.com/Default.aspx?tabid=127 - modificado
O sistema foi então acionado, com a carga térmica em temperatura ambiente,
medida com um termômetro de bulbo. Ao ligar o refrigerador, iniciou-se o processo de
medição das temperaturas nos termopares. Foram realizadas 53 medições em um
intervalo de aproximadamente 45 minutos. Nos 15 minutos iniciais, as mesmas foram
coletadas com maior frequência devido a significativa variação de temperatura.
Posteriormente, as medições passaram a ocorrer com intervalos de tempo maiores. A
leitura da temperatura se deu com o auxílio de um multímetro e de termopares. Os
valores das 7 temperaturas foram anotados, assim como o tempo total decorrido até a
medição em questão.
É valido salientar que por dificuldade em alcançar o termopar e pelo
comprometimento de sua instalação realizou-se somente uma leitura na temperatura
referente ao 15º passe (T6).
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A partir dos procedimentos experimentais, anteriormente mencionados,
obteve-se os valores das temperaturas entre o compressor e o evaporador, em função do
tempo, conforme pode-se observar na Tabela 1. Para facilitar a visualização dos
resultados encontrados, estes foram representados em gráficos, evidenciados pelas
Figuras 1, 2, 3, 4, 5 e 6.
Tabela 1 – Medições dos termopares entre o compressor e o evaporador, de acordo com o tempo
Temperaturas medidas (°C) T ∞= 24°C
Medições
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7Tempo (min)Saída
compressorTubo vertical condensador
2° passe
7° passe
11° passe
15° passe
Evaporador
1 29 31 32 30 29 - 13 0:40
2 33 34 34 33 33 - 3 1:30
3 35 35 36 35 35 - 0 1:55
4 37 37 38 37 36 - -2 2:25
5 39 39 40 39 38 - -3 3:00
6 42 40 41 40 39 - -3 3:30
7 45 42 42 41 40 - -3 4:00
8 46 43 43 41 41 - -3 4:30
9 48 44 44 42 42 - -3 5:00
10 50 45 44 43 42 - -3 5:20
11 51 46 44 43 43 - -3 5:50
12 52 47 45 44 43 - -3 6:15
13 53 48 45 44 43 - -3 6:40
14 53 49 46 44 44 - -4 7:05
15 54 49 46 44 44 - -4 7:30
16 55 51 46 45 44 - -4 7:55
17 56 51 46 45 44 - -4 8:20
18 56 51 46 45 45 - -4 8:45
19 57 52 47 46 45 - -3 9:15
20 58 52 47 46 45 - -3 9:40
21 59 53 47 46 46 - -3 10:05
22 59 54 47 46 46 - -3 10:30
23 60 54 48 46 46 - -3 10:55
24 60 54 48 46 46 - -3 11:20
25 61 55 48 47 46 - -3 11:47
26 62 55 48 47 46 - -3 12:15
27 63 56 48 47 46 - -3 12:42
28 63 56 48 47 47 - -3 13:08
29 63 57 48 47 47 - -3 13:32
30 65 57 48 47 47 - -3 14:05
31 65 58 49 48 47 - -3 14:36
32 65 57 49 48 47 - -3 15:10
33 65 58 49 47 47 - -3 15:39
34 68 60 50 48 48 - -4 18:28
35 69 60 50 48 48 - -4 18:53
36 69 60 49 48 47 - -4 19:19
37 69 60 49 48 47 - -4 19:45
38 69 61 49 48 47 - -4 20:15
39 73 63 50 48 48 - -4 25:00
40 73 63 50 48 47 - -5 25:27
41 72 63 49 47 47 - -5 25:57
42 72 62 49 47 47 - -5 26:27
43 74 63 50 47 47 - -5 29:37
44 74 63 50 47 47 - -5 30:05
45 75 63 49 47 47 - -5 30:32
46 75 63 50 47 47 - -5 32:05
47 76 63 50 47 47 - -6 33:33
48 77 65 50 47 46 - -6 36:05
49 77 65 50 47 46 - -6 37:49
50 78 66 50 47 46 - -6 39:53
51 79 65 50 47 46 - -6 41:33
52 79 66 50 46 46 - -6 43:32
53 - - - - - 46 - 44:14Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
Figura 1 – Temperatura na saída do compressor (T1) versus Tempo
Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
Figura 2 – Temperatura no tubo vertical do condensador (T2) versus Tempo
Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
Med
ições
de
T1 (°
C)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
Med
ições
de
T2 (°
C)
Figura 3 – Temperatura no 2º passe do condensador (T3) versus Tempo
Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
Figura 4 – Temperatura no 7º passe do condensador (T4) versus Tempo
Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
Med
ições
de
T3 (°
C)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
Med
ições
de
T4 (°
C)
Figura 5 – Temperatura no 11º passe do condensador (T5) versus Tempo
Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
Figura 6 – Temperatura no evaporador (T7) versus Tempo
Fonte: Elaboração dos próprios autores, 2015.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
Med
ições
de
T5 (°
C)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
2
4
6
8
10
12
Tempo (min)
Med
ições
de
T7 (°
C)
Como já mencionado nos procedimentos experimentais do presente
relatório, a temperatura no 15º passe do condensador (T6) foi aferida somente uma vez,
ao fim das demais medições, alcançando o valor de 46°C.
Por meio das Figuras 1, 2, 3, 4, 5 e 6 supracitadas, referentes a T1, T2, T3,
T4, T5 e T7, respectivamente, verificou-se que a estabilização das temperaturas foi, de
modo geral, obtida. Dessa forma, pode-se inferir que o regime permanente foi
alcançado. Apesar da temperatura no 15° passe do condensador (T6) ter sido aferida
somente uma vez (46°C), subentende-se que a mesma também foi estabilizada, haja
vista que T4 e T5 alcançaram o regime permanente e estão próximas de T6.
Ainda acerca das Figuras 1, 2, 3, 4 e 5 e do valor de T6 (46°C), percebe-se
que, para o refrigerador operando em regime estacionário, o condensador não possui
temperatura constante por toda sua extensão. Isto porque no primeiro trecho do
condensador (T1, T2 e T3) ocorre uma queda na temperatura, oriunda da troca de calor
sensível entre o vapor super aquecido e o ambiente, até que aquele atinja a temperatura
de saturação. Já no segundo trecho (T4, T5 e T6), nota-se que a temperatura permanece
constante, proveniente da troca de calor latente, o que assinala a mudança de fase.
Ao realizar-se a média aritmética das últimas temperaturas aferidas do
condensador, quando no regime estacionário, obtêm-se o valor de Tm = 55,5°C. Este, por
sua vez, difere da temperatura do ambiente externo, T∞ = 24°C, resultando uma
diferença de temperatura.
Nos refrigeradores convencionais, a diferença de temperatura gera uma taxa
de calor dissipada no condensador, a qual pode ser calculada por meio da equação
abaixo. Sendo “u” o coeficiente global de troca de calor, “A” a área da transferência de
calor e “ΔTm” a diferença média de temperatura entre os pontos do condensador e o
ambiente.
q=u . A . ∆ Tm
Contudo, admitindo-se ciclo ideal Carnot, entende-se que para uma maior
eficiência do refrigerador, torna-se necessário que a diferença entre a temperatura média
do condesador e a temperatura do ambiente externo seja reduzida ao máximo. Para tal,
tem-se como alternativas: aumentar a área de superfície do condensador e/ou aumentar
o fluxo de ar passando por ele.
Em função dos valores medidos para as temperaturas de condensação e
evaporação, pode-se calcular a estimativa do coeficiente de desempenho (β) do
refrigerador estudado. Para tanto, utilizou-se o ciclo ideal de Carnot, expresso pela
equação adiante, onde “TL” é a temperatura da fonte fria (evaporador) e “TH” a
temperatura da fonte quente (temperatura média condensador – Tm):
β=T L
T H−T L
= 267
328,5−267=4,34
Discutir o significado deste resultado!
Por meio do valor do coeficiente de eficácia calculado, algumas considerações
podem ser feitas. Primeiramente ressaltar a importância do ciclo idealizado por Carnot,
que é impossível de ser alcançado, porém serve como ótimo direcionamento para o
estudo de refrigeração e para o cálculo da eficiência desses sistemas.
Conforme apresentado acima, os valores medidos para temperatura variaram
pouco depois de decorrido o tempo da experiência. Isso mostra que o regime
permanente foi alcançado, e com isso foi possível realizar os cálculos descritos de
eficiência do refrigerador.
Para se obter um coeficiente e eficácia maior, o mais indicado seria diminuir ao
máximo a diferença entre a temperatura média do condensador e a temperatura
ambiente. Quando essa diferença de temperaturas tende a zero, a eficiência do sistema
tende ao infinito. Além disso, aumentar a área de contato entre o ar e o condensador é
uma alternativa para aumentar a eficiência.
O valor obtido para o coeficiente de eficácia foi satisfatório, uma vez que os
parâmetros de medição foram cuidadosamente respeitados. O valor de 4,34 é bastante
aceitável, tomando-se como base os valores encontrados na literatura.
CONCLUSÃO
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
INCROPERA, F.P., DEWITT, D.P., BERGMAN,T.L., LAVINE,A.S., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 6ª edição, Rio de Janeiro, LTC, 2008.
VAN WYLEN, J.G.; SONNTAG, R.E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da Termodinâmica. 6ª ed, Edgard Blücher, 2003.
