INSTALAES TRMICAS UNIVALI Notas de Aula Parte 1 Prof. Arthur Ennes

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TERMODINMICA PARA INSTALAES TRMICAS Para compreender bem os diversos processos Termodinmicos que ocorrem nas mquinas trmicas onde o circuito de refrigerao funciona pelo mesmo principio, porm em ciclo inverso, necessrio um estudo profundo das fases e estados nos quais os seus fluidos operantes podem se encontrar. Este estudo feito, de um modo generalizado, atravs da anlise do comportamento termodinmico das substncias puras. Substncias puras: So aquelas que tm composio qumica invarivel e homognea. Podem existir em mais de uma fase, mas a composio qumica a mesma em todas as fases. A substncia pura mais conhecida a gua. Fases: definida como uma quantidade de matria totalmente homognea. Assim, a gua existe na fase slida quando se apresenta como num cubo de gelo; existe na fase lquida como sai de uma torneira e existe na fase vapor como sai de uma vlvula de alvio de uma panela de presso. Quando mais de uma fase esto presentes, elas encontram-se separadas por meio de contornos bem definidos. Em cada fase a substncia pode existir a vrias presses e temperaturas ou seja em vrios estados. Estados termodinmicos: O estado pode ser identificado por certas propriedades macroscpicas observveis. As mais freqentes so: temperatura, presso, volume e densidade. Processo de saturao: Toda substncia pura que se encontra na fase lquida e passa por um processo de aquecimento presso constante, atingir uma determinada temperatura, na qual a substncia passar da fase lquida para a fase vapor. Da mesma forma, se a substncia encontrase na fase vapor, na presso mencionada anteriormente, e passa por um processo de resfriamento presso constante, atingir a temperatura mencionada anteriormente, e passar da fase vapor para a fase lquida. Esta temperatura permanecer constante durante todo o processo de mudana de fase. Desta forma, identifica-se para cada presso, uma temperatura na qual a substncia pura muda de fase. Esta temperatura dita, Temperatura de saturao na presso mencionada.

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Fixando-se a temperatura existir uma presso na qual a substncia pura mudar de fase. Esta presso dita, Presso de saturao na temperatura mencionada. Se tomarmos uma substncia pura e fizermos diversas experincias de mudana de fase, poderemos obter um diagrama P-T como o que se ver na fig. 3.1, onde se identificam trs linhas de saturao. A primeira, a linha de sublimao, onde ocorre a mudana da fase slida para a fase vapor sem passar pela fase lquida. A segunda, a linha de liquefao ou solidificao, onde ocorre a mudana da fase slida para a fase lquida ou vice-versa. A terceira, a linha de vaporizao ou condensao, onde ocorre a mudana da fase da fase lquida para a fase vapor ou da fase vapor para a fase lquida. Em cada ponto sobre as linhas de saturao do diagrama de mudana de fase P-T podemos ter vrios estados que s podero ser visualizados em outros diagramas tais como T-s e P-h. Por exemplo, num ponto sobre a linha de vaporizao podemos ter a massa da substncia totalmente na fase lquida ou totalmente na fase vapor ou ainda, uma mistura de fases lquida e vapor nas mais diversas propores. De forma semelhante pode acontecer num ponto sobre a linha de sublimao, podendo a massa estar totalmente na fase slida ou totalmente na fase vapor ou ainda ser uma mistura das duas fases nas mais diversas propores. O mesmo pode acontecer sobre a linha de liquefao, entre a fase slida e a fase vapor. Assim, podemos definir os termos que se seguem.

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Lquido saturado: Identifica o estado da substncia pura, sobre a linha de vaporizao, cuja a massa encontra-se totalmente na fase lquida. Vapor saturado seco: Identifica o estado da substncia pura, sobre a linha de vaporizao, cuja a massa encontra-se totalmente na fase vapor. Vapor saturado mido: Identifica o estado da substncia pura, sobre a linha de vaporizao, cuja a massa uma mistura de fase lquida e fase vapor. Nesta situao a mistura pode existir em diversas propores de massa de vapor e lquido. Lquido Sub-resfriado ou Comprimido: Uma substncia est na fase de lquido sub-resfriado quando se encontrar numa temperatura inferior temperatura de saturao considerada a presso qual ela est submetida. Da mesma forma, dizemos que esta substncia encontra-se na fase de lquido comprimido porque ela se encontra numa presso superior presso de saturao considerada a temperatura qual ela est submetida. Vapor superaquecido: Uma substncia encontra-se na fase de vapor superaquecido quando ela se encontra com uma temperatura superior temperatura de saturao considerada a presso qual ela est submetida. MISTURAS LIQUIDO E VAPOR Ttulo: A razo entre a massa de vapor e a massa total da mistura chamada de Ttulo (x). Sobre uma linha de vaporizao o ttulo pode ir de zero, quando a massa composta s de lquido (lquido saturado), at um, quando a massa composta totalmente por vapor (vapor saturado seco). - TTULO de uma mistura a relao em massa entre a quantidade de vapor e a quantidade total da mistura (liquido + vapor). X=mv/(ml+mv) adimensional ou X*100 (%) O titulo tambm chamado de qualidade do vapor. Observao: No processo de mudana de fase, presso e temperatura so propriedades dependentes. Assim, para cada substncia, a uma determinada presso existir uma temperatura de mudana de fase (temperatura de saturao). Da mesma forma, para cada temperatura, existir uma presso de mudana de fase (presso de saturao). -TEOR DE UMIDADE a relao em massa entre o liquido e a massa total Y= ml/(ml+mv) adimensional ou Y*100 (%) As propriedades das misturas so determinadas pelas quantidades relativas de liquido e vapor. Assim:

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v = Y vl+X vv v-vol. Especifico da mistura ou v = vl+X vlv O mesmo para as outras propriedades da mistura: h = Y hl+X hv h-entalpia Especifica da mistura ou h = hl+X hlv s = Y sl+X sv s-entropia Especifica da mistura ou s = sl+X slv Exemplo:

1. qual o v,h,s de 1 kg de R22 Tsat=-5C e X=32% Da Tabela do R22 de estado saturado temos, para T=-5C: vl=0,008 m3/kg; hl =194,2 kj/kg; sl=0,979 kJ/kg K e vv=0,0553 m3/kg; hv =403,2 kj/kg; sv=1,758 kJ/kg K v = Y vl+X vv = 0,68*0,0008+0,32*0,0553=0,01824 kg/m3 ou 18,94g/m3 h = hl+X hlv = 194,2+0,32*209= 261,08 kJ/kg s = Y sl+X sv =0,68*0,979+0,32*1,758= 1,228 kj/kg K

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O diagrama P-T estudado da fig. 3.1 pouco apropriado para estudar processos de transferncia de calor com mudana de fase porque no mostra os estados intermedirios dos processos de mudana de fase. Os diagramas mais apropriados para esse estudo so os diagramas T-s e P-h. Os diagramas T-s so largamente usados para o estudo de sistemas trmicos que usam gua como fluido operante. J os diagramas P-h so os preferidos do estudiosos de sistemas frigorficos. Tanto as tabelas termodinmicas quanto os diagramas termodinmicos fornecem as propriedades termodinmicas das substncias nos seus diversos estados e fases. Na a obteno de dados para a soluo de problemas, recomenda-se preferencialmente o uso das tabelas j que os diagramas sofrem distores grficas no processo de reproduo e geralmente so de difcil visualizao do valor das propriedades em cada estado. Os diagramas so muito teis para a visualizao dos processos executados pelo fluido operante em um sistema ou durante o escoamento atravs de uma mquina trmica. O diagrama T-s da fig.3.2 mostra a localizao das regies das diversas fases termodinmicas da gua e das substncias puras que tem comportamento termodinmico semelhante ao da gua. A anlise termodinmica das mquinas trmicas feito atravs do estudo do comportamento energtico das substncias que nelas operam. Para este estudo necessrio conhecer as propriedades termodinmicas dos fluidos operantes. Os valores destas propriedades so determinados por laboratrios especializados e disponibilizados na forma de tabelas e diagramas termodinmicos. Para melhor entender as propriedades, os estados, as fases e os processos que os fluidos operantes podem estar submetidos, faremos uma srie de exemplos. Soluo: Consultemos a tabela devapor d'gua saturado. Esta tabela fornece as propriedades da gua quando ela se encontra na fase lquida saturada e na fase vapor saturado seco. - Entrando com 5 MPa na tabela tira-se que a temperatura de saturao de 263,99 oC. Como a substncia est na temperatura de 1300 oc, conclui-se que a substncia encontra-se na fase de vapor superaquecido. Portanto, para achar as demais propriedades necessrio consultar a tabela de vapor superaquecido. - Na tabela entrando-se com a presso de 5 MPa e com a temperatura de 1300 oC, tira-se: a) Volume especfico, v = 0,14526 m3/kg. b) Energia interna especfica, u = 4672,0 KJ/kg. c) Entalpia especfica, h = 5398,2 KJ/kg. d) Entropia especfica, s = 8,7055 KJ/kg. EXEMPLO 1: Consideremos um quilograma de gua (H2O) submetido a uma presso P = 5 MPa e a temperatura de 1300 oC. a) Qual a fase em que se encontra esta substncia? b) Qual o valor das demais propriedades dessa substncia neste estado?

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DIAGRAMA DE FASE: Usando a experincia isobrica descrita anteriormente e repetindo para diversas outras presses podemos elaborar um diagrama T-V.

TABELAS DE PROPRIEDADES TERMODINMICAS: As tabelas de propriedades termodinmicas esto divididas por regio de fases. Existem tabelas que cobrem a regio de vapor saturado fornecendo as propriedades do lquido saturado ou do vapor saturado seco em funo da temperatura ou da presso de saturao. Para determinar as propriedades na regio de vapor saturado mido necessrio o uso das equaes que consideram o ttulo: v = x.vV + (1-x).vL u = x.uV + (1-x).uL h = x.hV + (1-x).hL s = x.sV + (1-x).sL

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Existem tabelas que cobrem a regio de vapor superaquecido, assim como existem tabelas que cobrem a regio de lquido comprimido. Para determinar um estado so necessrias, pelo menos, duas propriedades independentes. Na regio de saturao temperatura e presso so propriedades dependentes, portanto, necessrio uma terceira propriedade para a determinao do estado. J nas regies de vapor superaquecido ou de lquido comprimido, presso e temperatura so propriedades independentes e so suficientes para determinar o estado. APROXIMAO DAS PROPRIEDADES PARA ESTADOS DE LQUIDO COMPRIMIDO: Geralmente as tabelas termodinmicas que cobrem a regio de lquido comprimido so escassas ou cobrem regies de alta presso. Uma maneira alternativa de obter as propriedades termodinmicas na regio de lquido comprimido, com boa aproximao, usar as tabelas de vapor saturado e usar as propriedades do lquido saturado da forma exposta a seguir: * Considerando que o lquido comprimido uma substncia incompressvel, o volume especfico do lquido comprimido (vlc) aproximadamente igual ao volume especfico do lquido saturado (vlsat), considerando os dois na mesma temperatura.