Laborat orio de RAC - mecufjf.files.wordpress.com · E uma grandeza f sica utilizada para medir o grau de agita˘c~ao ou a energia cin etica m edia das mol eculas. Quanto mais agitadas

Laboratorio de RACValvulas de Expansao

Filipe Fernandes de [email protected]

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I A valvula de expansao possui a funcao de expandir o refrigerantelıquido proveniente do condensador, de modo a produzir uma quedabrusca de temperatura e pressao;

I Ao passar pela estriccao, vapor e formado, levando o lıquido a umestado de mistura lıquido vapor;

I O fenomeno fısico que ocorre na expansao e chamado de efeitoJoule-Thomson.

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Conceitos Fundamentais

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I As moleculas de uma podem se movimentar de tres formas,

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Temperatura

E uma grandeza fısica utilizada para medir o grau de agitacao ou aenergia cinetica media das moleculas. Quanto mais agitadas essasmoleculas estiverem, maior sera sua temperatura.

Energia termica

E a soma das energias cineticas das particulas de um corpo.

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Energia Interna

Energia interna de um sistema e a soma das energias cinetica e potencialdas partıculas que constituem um gas.

Energia Potencial

E a energia devido as interacoes internas entre as moleculas do gas.

Energia Cinetica

E a energia relacionada ao movimento das partıculas do gas.

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Conceitos FundamentaisI Analise Lagrangeana - Sistemas:

I Descreve o comportamento de cada partıcula, acompanhando suatrajetoria no tempo;

I ideal para mecanica, pois os corpos sao rıgidos, nao apresentando”grande”quantidade de partıculas.

I Analise Euleriana - Volumes de controle:I Descreve o comportamento da materia atraves de um volume

arbitrario no espaco, o qual engloba os pontos de interesse dofenomeno.

I Abordagem utilizada em mecanica dos fluidos, devido a impraticidadede descrever um ”grande”numero de moleculas em movimento.

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Efeito Joule-Thomson

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Experimento de Joule-Thomson


1. Um meio poroso e montado em um tubo, de modo a se obter doisvolumes separados;

2. Dois pistoes sao inseridos em ambos os lados to tubo

3. O sistema e completamente isolado termicamente;

4. Um lado possui um volume inical V1 e o outro lado possui volumeinicial zero;

5. Gas e forcado a passar pelo meio poroso de uma lado para o outroutilizando o pistao;

6. Pressao e temperatura sao medidos em ambos os lados.

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I O trabalho realizado no processo do lado esquerdo (1) eW1 = −p1(0 − V1) = p1V1;

I O trabalho realizado no processo do lado direito (2) eW2 = −p2(V2 − 0) = −p2V2;

I O trabalho total realizado e,

W = W2 + W1 = p1V1 − p2V2 (1)

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I Pode-se aplicar a primeira Lei da Termodinamica para sistemas aoprocesso,

∆U = Q −W (2)

I Como o sistema esta isolado termicamente, tem-se,

U2 − U1 = W2 + W1 = p1V1 − p2V2 (3)

U2 + p2V2 = U1 + p1V1 (4)

I Lembrando da definicao de entalpia (H = U + pV ),

H1 = H2 (5)

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I E observado que a temperatura do gas apos a expansao difere deantes da expansao;

I Em certas condicoes, apos a expansao pode ser observado umaumento ou diminuicao da temperatura;

I Em geral se ira haver aumento ou diminuicao depende do gas e deseu estado inicial pre-expansao.

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I Alguns fenomenos importantes podem ser analisados para entendero efeito Joule-Thomson,

I A conservacao de entalpia (e nao energia interna) implica que podeocorrer aumento ou diminuicao de temperatura;

I As pressoes p1 e p2 permanecem constantes, e p1 > p2;I Se V2 >> V1 a energia interna U2 precisa diminuir, o que leva uma

reducao de temperatura;I Se V2 << V1 a energia interna U2 precisa aumentar, o que leva um

aumento de temperatura;

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Efeito de Joule-Thomson

I O efeito de variacao de temperatura com a pressao no efeitoJoule-Thomson e medido pelo coeficiente de Joule-Thomson;

µJT =

(∂T

∂p

)H

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I µJT > 0 - A expansao causa uma queda de temperatura;I µJT < 0 - A expansao causa uma elevacao de temperatura;I µJT = 0 - Para um gas ideal;

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Valvulas de Expansao

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Tubo Capilar

I Nos sistemas de pequena capacidade (geladeiras, aparelhos de arcondicionado de janela, freezers, etc.) o dispositivo de expansaomais utilizado e o tubo capilar, que e um tubo de pequenodiametro, com determinado comprimento;

I O diametro interno de tubos capilares varia de 0,5 a 2,0 milımetros,com comprimentos desde 1,0 ate 6,0 metros;

I O tubo capilar difere de outros dispositivos de expansao tambempelo fato de nao obstruir o fluxo de refrigerante para o evaporadorquando o sistema esta desligado.

I Quando o compressor e desligado, ocorre equalizacao entre aspressoes dos lados alto e baixo atraves do tubo capilar.

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Tubo Capilar

I Vantagens dos Tubos CapilaresI Simplicidade (nao apresentam partes moveis);I Baixo custo;I Permitem a equalizacao das pressoes do sistema durante as paradas

(motor de acionamento do compressor pode ser de baixo torque departida).

I Desvantagens dos Tubos CapilaresI Impossibilidade de regulagem para satisfazer distintas condicoes de

carga;I Risco de obstrucao por materia estranha;I Exigencia de uma carga de refrigerante dentro de limites estreitos;I Reducao da eficiencia operacional para qualquer variacao da carga

termica ou da temperatura de condensacao.

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Valvula de Expansao Automatica

I A valvula de expansao de pressao constante, mantem uma pressaoconstante na sua saıda, inundando mais ou menos o evaporador, emfuncao das mudancas de carga termica do sistema;

I A pressao constante, caracterıstica da valvula, resulta da interacaode duas forcas opostas: pressao do fluido frigorıfico no evaporador eda pressao de mola;

I A pressao do fluido frigorıfico exercida sobre um lado do diafragmaage para mover a agulha na direcao de fechamento do orifıcio davalvula;

I Enquanto a pressao de mola, agindo sobre o lado oposto dodiafragma, move a agulha da valvula na direcao de abertura doorifıcio.

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Valvula de Expansao Automatica

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Valvula de Expansao TermostaticaI Devido a sua alta eficiencia e sua pronta adaptacao a qualquer tipo

de aplicacao, as valvulas de expansao termostatica sao o dispositivode expansao mais utilizados em sistemas de refrigeracao deexpansao direta;

I Estas valvulas regulam o fluxo de refrigerante que chega aoevaporador de forma a manter um certo grau de superaquecimentodo vapor que deixa o mesmo;

I Quando o refrigerante passa atraves do orifıcio da valvula a suapressao e reduzida ate a pressao de vaporizacao;

I O refrigerante dos tubos do evaporador se vaporiza a medida querecebe calor;

I Em um ponto ao longo do tubo, todo o refrigerante lıquidovaporizou e, a partir deste ponto, qualquer fluxo adicional de calorprovocara um aumento da temperatura do refrigerante.

I Quando o refrigerante alcanca a saıda do evaporador ele apresentaum pequeno grau de superaquecimento.

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Valvula de Expansao Termostatica

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Experimento

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Experimento

I O experimento consistira em realizar 5 medicoes dos seguintespontos,

I PS3, TS3;I PS4, TS4;

I Utilizando PS3 e TS3 da primeira medicao, calcular o coeficiente deJoule-Thomson usando a seguinte simplificacao,

µJL =∆T

∆p

∣∣∣∣h

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Experimento

I Utilizando o coeficiente de Joule-Thomson, calcule a temperaturaTS4 teorica.

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