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.