maq-term-01 29 02 12

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MQUINAS TRMICAS E REFRIGERAO

Sumrio

I- Introduo

II- Termodinmica Bsica

II.1- Conceitos e Definies

II.2- Anlise da Curva de Mudana de Fase de uma Substncia Pura

II.3- 1a Lei da Termodinmica

II.4- 2a Lei da Termodinmica

II.5- Principais Ciclos Termodinmico

III- Compressores

III- Refrigerao

IV.1-Definies

IV.2- Aplicao da Refrigerao

IV.3-Ciclo de Compresso Vapor

IV.4- Ciclo de Refrigerao - Absoro

IV.5- Refrigerantes

IV.6- Dispositivos para Controle nos Sistemas de Ar Condicionado

Apndice

A- Trocadores de Calor

A.1- Classificao

A.2- Aplicaes

B- Tabelas com as Propriedades Termodinmica da gua / R-12 / R-22 / R-502 / Amnia

C- Sistema de Cogerao

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I- Introduo

Desde os primrdios do seu aparecimento sobre a terra, procurou o homem utilizar o

fogo como componente indispensvel sua sobrevivncia, seja para aquecer o corpo, seja para

preparar os alimentos.

Porm, a utilizao de forma ordenada da energia calorfica somente foi possvel a partir

do estabelecimento e divulgao do primeiro e segundo princpio da termodinmica, fato que

ocorreu respectivamente em 1840 e 1850, apesar de Sadi Carnot ter estabelecido o segundo

princpio em 1824.

Graas a estes princpios, foi possvel estudar os aparelhos e mquinas trmicas,

transformar a qumica em cincias exatas, interpretar satisfatoriamente um grande nmero de

fenmenos naturais, objeto das cincias naturais, e ainda, atravs de extrapolaes dos

princpios, colaborar no aparecimento de teorias relativas estrutura da matria e do universo.

II- Termodinmica Bsica

II.1- Conceitos e Definies:

Termodinmica o estudo da energia, do calor, do trabalho, das propriedades das

substncias pura e dos processos que a envolvem. Alm disso podemos dizer que a

termodinmica tambm o estudo da transformao de uma forma de energia em outra.

Assim como toda cincia, a base obtida atravs de observaes experimentais. Sendo

que as descobertas foram sendo formalizadas atravs de certas leis bsicas: a primeira lei da

termodinmica e a segunda lei da termodinmica.

Um dos conceitos fundamentais da termodinmica saber diferenciar um sistema

termodinmico e um volume de controle. A seguir veremos as principais diferena entre um

sistema e um volume de controle:

(1) Sistema:

uma quantidade de matria de massa e identidade fixas, que analisamos.

Um sistema apresenta uma quantidade fixa de massa em qualquer condio.

O sistema separado da vizinhana por meio de fronteiras. Sendo que as fronteiras so representadas por linhas tracejadas em volta do sistema a ser analisado.

A fronteira do sistema pode ser fixa ou mvel.

Trabalho e calor podem cruzar as fronteiras do sistema.

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Onde:

- W = Trabalho realizado pelo sistema. - Q = Calor fornecido ao sistema. - m = massa de uma determinada substncia.

Observao:

Unidades:

- U(W) = Joule(J), kJ - U(Q) = Joule(J), kJ - U(m) = kg , g

(2)Volume de Controle:

Neste ocorre o fluxo de massa (passagem de massa) atravs das fronteiras do volume de controle.

O volume de controle separado da vizinhana por meio de fronteiras. Assim como no sistema a fronteira representada por uma linha tracejada do equipamento (ou volume) a

ser analisado.

A fronteira do volume de controle pode ser fixa ou mvel.

Trabalho e calor podem cruzar as fronteiras do volume de controle.

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Onde:

- W Potncia fornecida pela turbina.

- Q Taxa calor perdida na turbina.

- em Vazo mssica do fluido (vapor) na entrada da turbina.

- sm Vazo mssica do fluido (vapor) na sada da turbina.

Observao:

- )W(U Watt(W), kW, kJ / h, HP

- )Q(U Watt(W), kW, kJ / h, HP

- U( )me kg / s

- )m(U s kg / s

Outro conceito fundamental o estudo (ou anlise) de uma substncia pura, isto ,

identificarmos as sua propriedades e tambm definir alguns conceitos fundamentais.

A substncia pura pode ser definida como sendo aquela que tem composio qumica

invarivel e homognea. A sua composio qumica mantmse nas diferentes formas que pode se apresentar: lquida, slida e vapor.

Alguns conceitos relativos as substncias puras sero apresentados abaixo:

1)Fase

definido como uma quantidade de matria totalmente homognea.

Com isso quando uma substncia pura se apresenta nas formas:

- Lquida, dizemos que esta substncia encontra-se na fase lquida. - Slida, dizemos que esta substncia encontra-se na fase slida. - Vapor, dizemos que esta substncia encontra-se na fase vapor.

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2)Estado

a forma de identificar a substncia pura em funo de suas propriedades.

3)Propriedades Termodinmicas

Esta pode ser definida como sendo uma quantidade que depende do estado do sistema e

independe do caminho pelo qual o sistema atingiu o estado considerado, isto , independe do

processo que levou para atingir o outro estado.

As propriedades termodinmicas podem ser divididas em duas classes:

a) Propriedades Intensivas:

So aquelas que independem da massa.

Essas propriedades so as seguintes:

Temperatura(T).

Presso(P).

Massa Especfica().

Volume Especfico(v).

b) Propriedades Extensivas:

So aquelas propriedades que dependem da massa.

As propriedades extensivas de maior interesse sero apresentadas abaixo:

Massa(M);

Volume(V);

Entalpia especfica(h);

Entropia especfica(s);

Observao: As propriedades extensivas, entalpia especfica(h) e entropia especfica(s), so

obtidas a partir da propriedades intensivas, entalpia(H) e entropia(S), respectivamente.

A seguir ser detalhado mais especificamente cada uma das propriedades referidas

anteriormente:

3.1- Propriedades Intensivas:

3.1.1- Temperatura(T):

A temperatura de um sistema uma medida do movimento aleatrio das molculas do

sistema.

Caso haja diferentes temperatura dentro de um corpo(ou dos corpos que formam um

sistema), do nosso interesse medir a temperatura em um dado local e interpretar esta medida.

Um conceito fundamental consiste em interpretar a Lei Zero da Termodinmica: A lei zero da termodinmica diz que quando dois corpos tem igualdade de temperatura

com um terceiro corpo, eles tem tero igualdade de temperatura entre si. Esta lei pode ser

explicada da seguinte forma:

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Consideremos 2 blocos de cobre e um termmetro. Inicialmente aquecemos um dos

blocos at uma temperatura T1 maior que T2, sendo T2 a temperatura que encontra-se um outro

bloco. Em seguida pe-se em contato os blocos e verifica-se com tempo que a temperatura do

bloco aquece-se inicialmente e vai caindo(diminuindo) enquanto a temperatura do outro bloco

tender at que ambos atinjam a mesma temperatura, denominada de temperatura de

equilbrio, Te. Em seguida separa-se os blocos e coloca-se um deles em contato com o

termmetro de coluna vidro. Ao observar o termmetro verifica-se que este indica uma

temperatura Ti =Te . Logo em seguida junta-se a este 2 corpos o segundo bloco e verifica-se

que a temperatura indicada no termmetro continua sendo Ti . Ento ambos esto a mesma

temperatura. Com esta idia pode-se comprovar a lei zero da termodinmica.

As escalas mais comuns de temperatura so a Fahrenheit e Celsius (Centigrado), estas

so definidas a partir dos pontos de fuso do gelo e ebulio da gua, a presso atmosfrica.

Os pontos extremos da escalas sero apresentados abaixo:

32FT9

5)C(T ox

ox (1)

32CT5

9)F(T ox

ox (2)

Tambm possvel definir uma escala de temperatura absoluta que independente das

propriedades de qualquer substncia. A escala absoluta relacionada com a escala Celsius

chamada de Kelvin, designada por K. A escala absoluta relacionada com a escala Fahrenheit

chamada de escala Rankine, designada por R. A relao entre essas escalas mostrada abaixo:

15,273)C(T)K(T o (3)

67,459)F(T)R(To (4)

Os instrumentos mais comuns utilizados para medies da temperatura so mostrados

abaixo:

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a)- Termmetro de vidro com lquido( coluna de mercrio):

a.1- Faixa de medio: -39C at 593C

a.2- Principais Vantagens: Baixo custo.

Preciso razovel.

No requer equipamento auxiliar.

a.3- Principais desvantagens:

Facilmente quebrveis.

Pequeno comprimento de escala.

b) Termopares :

Funcionam a partir do Efeito Seebek. Este efeito verificado em circuito fechado formado por dois condutores metlicos e distintos A e B, onde os mesmos so submetidos a um

diferencial entre as suas junes, a partir da circulao de corrente eltrica.

Um termopar consiste de dois condutores metlicos de natureza distinta na forma de metal

puro ou ligas homogneas. Os fios so soldados em um extremo ao qual se d nome de juno

de medio; a outra extremidade, juno de referncia levada ao instrumento medidor por

onde flui a corrente gerada.

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Nota :

- A fora eletromotriz (F.E.M), da ordem de milivolts(mV).

- Convencionou-se dizer que o metal A positivo e B negativo, pois a tenso e a

corrente geradas so na forma de corrente contnua(cc).

Tabela abaixo indica as os tipos de termopares suas faixas de medio e suas cores:

Cores

Smbolo Termopar

CD. Condutores

(+) / (-)

Faixa de Temperatura

C Tolerncia

N O R M A S

AMERICANAS ANSI MC 96.1

ALEM DIN

43714 INGLESA

BS 1843/52 JAPONESA

JIS C1610/81

FRANCESA NF C42-323

T TX EXTENSO TIPO T Cobre (+) / Cobre-

Nquel (-) -60 A 100C

Standard 1,0C

Especial 0,5C

J JX EXTENSO TIPO J

Ferro (+) / Cobre-Nquel (-)

0 a 200C

Standard 2,2C

Especial 1,1C

E EX EXTENSO TIPO E Nquel-Cromo (+) /

Cobre-Nquel 0 a 200C

Standard 1,7C

Especial

-

K KX EXTENSO TIPO K Nquel-Cromo (+) / Nquel-Alumnio (-)

0 a 200C

Standard 2,2C

Especial

-

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K WX COMPENSAO TIPO

K Ferro (+) / Nquel-Cobre

(-)

-20 a 150C

Standard 3,0C

Especial

-

K VX COMPENSAO TIPO

K Cobre (+) / Cobre-

Nquel (-)

-20 a 150C

Standard 2,5C

Especial

-

S

R

SX

RX

COMPENSAO TIPO S/R

Cobre (+) / Cobre-Nquel (-)

0 a 200C

Standard 5,0C

Especial

-

B BX CABOS de COBRE

Comuns Cobre (+) / Cobre (-)

0 a 100C

Standard 0C/-3,7C

Especial

-

N NX EXTENSO TIPO N

Nquel-Cromo-Silcio (+) Nquel-Silcio (-)

0 a 200C

Standard 2,2C

Especial

-

Nota:

Constantan = Cobre-Nquel

Cromel = Nquel-Crmo

Nisil = Ni-Si-Mg

Alumel = Nquel-Alumnio

Nicrosil = Ni-Cr-Si

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Esquema para Realizar a Medio com Termopar:

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b.2- Principais Vantagens:

Apresenta uma resposta rpida.

Facilmente manuseavel.

Comparveis a um pirmetro tico e de radiao.

b.3- Principais Desvantagens:

Necessita de um equipamento auxiliar, no caso um multmetro.

c) Termmetro de Resistncia:

c.1- Bulbos de Resistncia de Fio Metlico

Esses sensores so confeccionados em fios dos seguintes matrias:

Platina: Faixa: -184 C a 982 C.

Cobre: Faixa: -140 C a 121 C.

Nquel: Faixa: -184 C a 316 C

Entre os termmetros de resistncia o mais conhecido o tipo Pt 100. Este possui um

elemento de platina e com uma resistncia padronizada de 100 a 0C. As principais vantagens dos Pt 100 so:

- boa estabilidade;

- boa repetibilidade;

- boa preciso;

- ampla faixa de operao.

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c.2- Termistores

Os termistores so confeccionados com materiais semicondutores, como xidos de nquel,

mangans, cobalto e outros que apresentam grande de variao de resistncia eltrica com a

temperatura, numa faixa que se estende aproximadamente de -100C a 300C.

d)- Pirmetro:

d.1- Tipos:

Pirmetro ptico:

Funcionam atravs da comparao do comprimento de onda (cor) da radiao visvel emitida

por um corpo (fonte externo), com aquela emitida pelo filamento de uma lmpada padro, de

temperatura ajustvel e conhecida, contida no instrumento.

Faixa: 760 C at uma temperatura mais alta desejada.

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Pirmetro de Infravermelho:

Faixa: Temperatura ambiente at uma temperatura mais alta desejada.

d.2- Principais Vantagens:

tempo de resposta rpido;

alta sensibilidade;

d.3- Principais Desvantagens:

Custo muito alto;

A preciso pode ser afetada por absorvedor de radiao com vidros e sujeiras;

3.1.2- Presso(P):

Quando a componente da fora perpendicular(normal) a uma superfcie for dividida pela

rea desta superfcie, definimos assim presso(P).

P=A

F (5)

A unidade de Presso no S.I o Pascal= Pa = N/m2, existem outras unidades muito

utilizadas, como: bar, atm (atmosfera), mmHg (milmetro de mercrio), inHg (polegada de

mercrio), libras-fora / (polgada)2.= lbf / in2, psia = lbf / in2 (utilizado para presso absoluta),

psig = lbf / in2 (utilizado para presso manmetrica), kgf / cm2.

Principais fatores de converso das unidades citadas acima:

1 bar = 105 Pa

1 atm = 101,325 kPa

1 atm= 0,101325 Mpa

1 kgf / cm2 = 1,01325 atm

1 atm = 10 m.c.a(metro de coluna de gua)

1mmHg = 13,6 x 10-4 atm

1 inHg = 0,491 psia

1 kgf / cm2 = 14,7 psia

1 atm = 760 mmHg

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- Escala de Presso:

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A maioria dos medidores como o do tipo Bourdon, medem presses manmtricas. Mas

para representar no S.I. necessita-se determinar a presso absoluta. Neste caso a presso absoluta determinada pela seguinte relao:

Presso Absoluta = Presso Atmosfrica + Presso Manmtrica (6)

A equao acima utilizada para indicar presses acima da presso da atmosfrica

(Patm).

Para medir a presso manmtrica negativa, utilizamos um vacumetro. A partir desta

presso, podemos obter a presso absoluta de referncia, no caso uma presso inferior a

presso atmosfrica (Patm) pela equao abaixo:

Presso Absoluta = Presso Atmosfrica Vcuo(Presso Manomtrica negativa) (7)

Exemplo:

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Os instrumentos utilizados para medir presso manomtrica positiva so mostrados

abaixo:

(1) Manmetro de Coluna de mercrio:

1.a)Tubo em U:

hgP Hgman (8)

Onde:

Pman = presso manomtrica referente ao manmetro de tubo em U.

Hg = massa especfica do mercrio.

g = acelerao da gravidade

h = variao da altura da coluna de mercrio.

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1.b) Tubo Inclinado:

2

2

HgmanD

d1senLgP (9)

Onde :

Pman = presso manomtrica referente ao manmetro de tubo em U.

Hg = massa especfica do mercrio.

g = acelerao da gravidade

L = variao da coluna de mercrio.

= angulo de inclinao do tubo.

D = dimetro do reservatrio com a mercrio

d = dimetro da coluna de mercrio. Observao:

Unidades:

U(D , d , L): cm, mm, polegadas(pol.), m

U(g): m / s2

U(Hg): g/ cm3, kg / m3

U(Pman): psig, mmHg, m.c.a, Pa

Os instrumentos mais comuns para medio de presso:

a) Manmetros do tipo Bourdon. b) Transdutores de Presso. c) Barmetro ( este equipamento utilizado para determinar a presso atmosfrica). d) Vacumetro ( este equipamento utilizado para determinar a presso manomtrica

negativa ou seja medir o vcuo).

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3.1.3- Massa Especfica ( ):

A massa especfica definida como sendo a por unidade de volume.

Onde:

V

M (10)

Esta grandeza funo apenas da presso e da temperatura na qual se encontra a

substncia.

As unidades utilizadas no S.I so:

Kg / m3 ou g / cm3

No caso de lquidos pode-se utilizar: g / ml Os instrumentos utilizados para medio de massa especfica so:

- densmetros de vidro;

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- densmetros digitais;

- picnmetros;

3.1.4- Volume Especfico (v):

O volume especfico definido como sendo volume por unidade de massa, isto , o

inversos da massa especfica ( ). Assim como a massa especfica, uma grandeza que funo apenas da temperatura e da presso na qual se encontra a substncia.

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Onde:

M

V1v

(11)

As unidades do S.I utilizadas so:

m3 / kg ou cm3 / g

3.2- Propriedades Extensivas

3.2.1- Massa (M):

O termo massa ou unidade de massa deve ser usado para especificar a quantidade de

matria contida em um corpo.

No Sistema Internacional de Unidade (S.I), a unidade bsica de massa do quilograma

padro que fica no Comit Internacional de Pesos e Medidas. O quilograma usado para

especificar a quantidade de matria de um corpo, como j foi visto no pargrafo anterior.

Abaixo apresentado a tabela com a converso de unidades:

1kg = 1000g

1kg = 2,2046 lbm (libra massa)

3.2.2- Volume(V):

O volume de uma dada substncia definido como sendo:

MV (12)

Onde:

M = massa da substncia em kg.

= massa especfica da substncia a uma dada temperatura e presso em kg / m3.

A unidade no S.I utilizada o m3. No caso de lquidos so utilizados as seguintes

unidades: litro (L) e mililitro (ml).

Observao: As outras propriedades extensivas sero definidas nos captulos

referentes a Primeira e Segunda Lei da Termodinmica.

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4) Processo

o caminho definido pela sucesso de estados atravs dos quais o sistema passa.

Existem alguns processos caractersticos num ciclo termodinmico :

Processo Isobrico: esse processo se realiza a presso constante.

Processo Isomtrico ou Isocrico: esse processo se realiza a volume constante.

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Processo Isotrmico: esse processo se realiza a temperatura constante.

Processo Adiabtico: esse processo se realiza sem troca de calor.

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5) Ciclos:

Quando um sistema num dado estado passa por um certo nmero de mudanas de estado

ou processos finalmente retorna ao estado inicial, o sistema executa um ciclo. Com isso todas

as propriedades tm o mesmo valor inicial.

Exemplo:

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II.2- Anlise da Curva de Mudana de Fase das Substncias Puras

Trecho de AB: o trecho pertencente a regio de lquido subresfriado ou lquido comprimido.

Trecho BC: o trecho pertencente a regio de saturao ou de mistura bifsica(lquido + vapor).

Trecho CD: o trecho pertencente a regio de vapor superaquecido.

Ponto Crtico: Neste ponto os estados de lquido saturado e vapor saturados so identicos.

Na regio de mistura bifsica, a substncia mantm-se a mesma temperatura(temperatura

de saturao) e a uma mesma presso ( presso de saturao).

Na regio de vapor superaquecido, lquido subresfriado e de mistura bifsica

necessitamos de pelo menos de 2 propriedades termodinmicas.

Na regio de mistura bifsica podemos determinar uma outra propriedade

termodinmica, o Ttulo (x) de uma substncia.

x = (massa de vapor da substncia / massa total da substncia) = t

v

m

m (13)

Onde :

mv= massa de vapor da substncia em kg.

mt = mv + ml = massa total da substncia em kg.

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ml = massa de lquido em kg.

Observao: O ttulo (x) pode ser expresso em funo do volume especfico, pela

expresso abaixo:

lv

v

vv

vvx

(14)

Onde :

v = volume especfico da substncia em m3 / kg.

vv = volume especfico da substncia no ponto de vapor saturado em m3 / kg.

vl = volume especfico da substncia no ponto de lquido saturado em m3 / kg.

Sendo que : vl vxvx1v (15)

II.3- 1 Lei da Termodinmica

1 Caso : Aplicao para um Sistema

Seja um sistema com uma massa fixa , m , e que inicialmente encontra - se num estado 1

a uma presso (P1), temperatura (T1) e volume (V1). Uma certa quantidade de calor, Q ,

fornecido e passando assim para um estado 2, a uma presso(P2), temperatura (T2) e volume

(V2). Com a primeira lei podemos dizer que:

(Energia que entra no Sistema) (Energia que sai do Sistema) = Variao de Energia interna do Sistema

Isto :

UEE se (16)

Ee = energia que entra no sistema

Es = energia que sai do sistema

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12 UUU = diferena entre a energia interna do sistema no estado 1 e a energia

interna do sistema no estado 2.

Substituindo pelos parmetros reais:

1221 UUWQ (17)

Q = calor fornecido ao sistema em kJ.

W1-2 = trabalho realizado pelo sistema quando este passa do estado 1 ao estado 2 em kJ.

U2 e U1 = energia interna do sistema no estado 2(P2, T2, V2) e no estado 1(P1, T1, V1) em kJ.

Observao :

(1) Energia Interna so todas as outras formas de energia excluindo a energia cintica e potencial.

2um2U e 1um1U , onde:

u1 = energia interna especfica na condio P1, T1 em kJ / kg.

u2 = energia interna especfica na condio P2, T2 em kJ / kg.

U2 e U1 = energia interna do sistema no estado 2(P2, T2, V2) e no estado 1(P1, T1, V1) em kJ.

(2) Conveno de sinais do Calor fornecido ou recebido pelo sistema:

-Q+Q

S is te m a S is te m a

(3) Para determinarmos o Trabalho realizado pelo sistema, utiliza-se a equao abaixo:

)1V2V(PW 21 (18)

Sendo que o processo realizado para o sistema passar do estado 1 para o estado 2

isobrico, logo P1 = P2 = P.

2vm2V e 1vm1V , onde:

m = massa do sistema em kg.

v1 = volume especfico na condio P1, T1 em m3 / kg.

v2 = volume especfico na condio P2, T2 em m3 / kg.

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Conveno de sinais para um Trabalho de Expanso e Compresso realizado pelo

sistema:

F=pA

gs (ou lquido)

sistema f echado

xx

1x

2

f ronteira rea A presso mdia sobre o pisto = p

- expanso: W>0

- compresso: W

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II.4 2 Lei da Termodinmica

As mquinas so aparelhos que servem para transferir energia e, tanto podem receber energia

sob a forma de calor para produzir trabalho, que o caso das mquinas trmicas, como podem

receber trabalho de modo a transferir energia sob a forma de calor, e nesse caso temos uma

mquina frigorfica. Todas as mquinas funcionam em ciclo, isto , uma mquina passa

periodicamente pelo mesmo estado.

A 2 lei da termodinmica, nomeadamente os postulados de Clausius, e de Lord Kelvin

estabelecem limitaes, tanto na transferncia de energia sob a forma de calor entre objectos,

como na possibilidade de transformar energia de uma forma ou outra.

Tais fatos implicam que apenas possam existir mquinas, em que o seu princpio de

funcionamento no viole a segunda lei da termodinmica.

Existem 2 enunciados clssicos para a 2a lei da termodinmica, conhecidos como enunciado

de Kelvin-Planck (relacionado com motores trmicos) e enunciado de Clausius (relacionado

com

refrigeradores).

Enunciado de Kelvin-Planck: impossvel construir um dispositivo que opere segundo um

ciclo termodinmico e que no produza outros efeitos alm do levantamento de um peso e

troca de calor com um nico reservatrio trmico.

Enunciado de Clausius: impossvel construir um dispositivo que opere segundo um ciclo

termodinmico e que no produza outros efeitos alm da passagem de calor de um corpo frio

para um corpo quente.

Analisemos o que acontece no caso de:

Mquinas trmicas

Mquinas frigorficas

II.4.1- Mquinas Trmicas

Segundo o postulado de Lord Kelvin, impossvel transformar em trabalho toda a energia

sob a forma de calor extrada de uma nica fonte, logo, a fraco de energia sob a forma de

calor que no utilizada para realizar trabalho transferida para outra fonte a uma

temperatura inferior.

Assim, as mquinas trmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de

energia sob a forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a

forma de calor flui espontaneamente da fonte quente, isto , a fonte com maior

temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte com temperatura inferior.

Por exemplo, na mquina a vapor, um cilindro move-se devido expanso do gs no seu

interior, causada pela energia proveniente do aquecimento de gua numa caldeira (fonte de

energia sob a forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia no transformada em

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trabalho, e passa por conduo trmica para os arredores da mquina (fonte com

temperatura inferior).

O princpio de funcionamento de uma mquina trmica pode ser esquematizado pela figura

1:

Fig. 1 - Esquema de uma mquina trmica.

Deste modo, o trabalho fornecido pela mquina igual diferena entre as quantidades de

energia sob a forma de calor trocadas:

W = |Qq| = |Qf|

Rendimento das mquinas trmicas

Um dos principais objectivos de quem constri uma mquina trmica, que esta tenha o

maior rendimento possvel. O rendimento, que normalmente se denota por , define-se como a razo entre o trabalho que a mquina fornece, W, e a energia sob a forma de calor

que sai da fonte quente, Qq, e sem o qual ela no poderia funcionar.

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Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de

uma mquina trmica sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo, isto , se a

mquina no transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria

igual a 1.

No entanto, no possvel construir mquinas trmicas onde, ciclicamente se transforme

toda a energia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que

tal violaria a 2 lei da termodinmica.

Fig. 2 - Esquema de uma mquina trmica impossvel devido 2 lei da termodinmica.

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II.4.2- Mquinas Frigorficas

Segundo o postulado de Clausius, impossvel transferir energia sob a forma de calor de

forma espontnea, de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que tal acontea,

necessrio fornecer trabalho ao sistema, e, nesse caso, temos uma mquina frigorfica.

As mquinas frigorficas, como um frigorfico ou uma arca congeladora, recebem trabalho

(atravs da energia elctrica proveniente da rede elctrica), e usam-no de modo a retirarem

energia sob a forma de calor do seu interior, transferindo-a por conduo para o exterior.

Deste modo, o interior de um frigorfico encontra-se a uma temperatura baixa, prxima de

0 C, enquanto que a parte de trs de um frigorfico est normalmente a uma temperatura

superior do meio ambiente onde se encontra.

O princpio de funcionamento de uma mquina frigorfica encontra-se esquematizado na

figura 3:

Fig. 3 - Esquema de uma mquina frigorfica.

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Deste modo, a energia sob a forma de calor que transferida para a fonte quente igual

soma da energia sob a forma de calor retirada fonte fria, com o trabalho necessrio para

que ocorra esse fluxo de energia:

|Qq| = W + |Qf|

Eficincia das mquinas frigorficas

A eficincia de uma mquina frigorfica tanto maior, quanto maior for a quantidade de

energia sob a forma de calor que retirar da fonte fria, ou seja, do interior do frigorfico,

para a mesma quantidade de trabalho fornecido pelo motor do frigorfico.

A eficincia de uma mquina frigorfica o quociente entre a energia sob a forma de

calor que sai da fonte fria, Qf, e o trabalho necessrio para realizar essa transferncia de

energia:

Ao contrrio do rendimento de uma mquina trmica, a eficincia pode ser maior que 1. A

eficincia tpica de uma mquina frigorfica varia entre 4 e 6. Por exemplo, se a eficincia

for igual a 5, ento o frigorfico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorfico)

para a fonte quente (exterior), por cada 1 J de energia elctrica que consome.

Seria impossvel que a mquina frigorfica retirasse energia da fonte fria, sem receber

qualquer energia do exterior (sem receber trabalho), uma vez que tal no estaria de acordo

com a 2 lei da termodinmica.

Fig. 4 - Esquema de uma mquina frigorfica impossvel devido 2 lei da termodinmica.

33

II.5- Principais Ciclos Termodinmicos

II.5.1- Ciclo a vapor de uma Usina Termoeltrica:

.

34

Os equipamentos que compem o ciclo vapor e suas funes so apresentadas abaixo:

(1) Caldeira: Este equipamento funciona como uma fonte quente do ciclo. Neste equipamento o fluido

de trabalho(no caso gua) aquecido at altas temperatura e presso, passando o fluido da fase

lquida para vapor superaquecido.

(2) Turbina : o equipamento que transforma energia trmica em energia cintica. Este

transformao ocorre porque fluido de trabalho escoa a alta temperatura e presso(encontra se como vapor superaquecido), com isso chocando-se com as palhetas da turbina e consequentemente realizando movimento de eixo.

(3)Condensador:

Este equipamento um trocador de calor do tipo contra - corrente ou corrente paralela, no

qual tem como objetivo transformar o fluido de trabalho na fase de vapor super aquecido ou bifsico( na entrada do condensador ) em lquido.

(4)Bombas dgua: Este equipamento tem como funo impulsionar o fluido de trabalho (na fase lquida)

para caldeira, pois esse ao sair do condensador encontra-se a baixa presso.

35

(5)Economizador:

um trocador de calor do tipo corrente cruzadas, no qual tem a funo de pr - aquecer

a gua que enviada para caldeira.

Obs: O aquecimento realizado pelo produtos proveniente da combusto, isto , os

gases obtido da queima do leo utilizada para acender os maaricos.

O Diagrama de representao do ciclo Rankine apresentado abaixo:

CALDEIRA

TURBINA

A

CONDENSADOR

BOMBA

QH

WbM

Wt

QF 2 1

3

4

36

O diagrama T (temperatura) x s (entropia especfica) representado abaixo para o ciclo:

Em um ciclo termodinmico necessrio determinar a sua eficincia, da seguinte

maneira:

(energia que deseja consumir) / (energia paga) =

caldeira

bombaturbina

Q

WW

.100% (19)

Onde:

turbinaW Potncia fornecida pela turbina em Btu / h ou W.

bombaW Potncia fornecida pela bomba em Btu / h ou W.

caldeiraQ Taxa de calor fornecido pela caldeira em Btu / h ou kcal / h.

Observao:

As unidades utilizadas para as grandezas acima so:

1 Hp = 745,702 W

1 Hp = 641,189 kcal / h

1 kW = 1,34 Hp

1 kW = 860 kcal / h

1 kW = 3412,14 Btu / h

37

II.5.2- Ciclo de Compresso a Vapor:

O ciclo de compresso a vapor a ser analisado ser o ciclo de refrigerao industrial,

mostrado abaixo:

Diagrama utilizado para o sistema (P x h):

Qcd

Qev

Wcp

38

Onde:

Os equipamentos que o ciclo de compresso a vapor assim como sua funes sero

apresentados abaixo:

(1) Compressor: Este equipamento responsvel por impulsionar o fluido de trabalho (gs refrigerante)

por todo o ciclo. Sendo que este s pode operar com o fluido de trabalho na fase de vapor

superaquecido.

(2) Condensador: Este equipamento um trocador de calor de contra corrente ou corrente paralela, que

tem como funo retirar calor do fluido de trabalho, transformado este de vapor super

aquecido em lquido subresfriado ou mistura bifsica( vapor + lquido).

(3) Vlvula de expanso: Este equipamento tem como funo reduzir a presso do fluido de trabalho, aumentando

contudo a velocidade de escoamento. O fluido de trabalho encontra-se com uma mistura

bifsica (vapor + lquido) ao deixar a vlvula de expanso.

(4) Evaporador: Este equipamento funciona como um trocador de calor, onde visa fornecer calor ao

fluido de trabalho, afim de que este entre no compressor com vapor superaquecido ou vapor

saturado.

Neste ciclo determina-se o coeficiente de eficcia() ou coeficiente de performace(COP), atravs da equao abaixo.

Fonte Quente

BC

Fonte Fria

Qcd

Qev

Wcp

39

= (energia que deseja-se consumir) / (energia paga) =

cp

ev

W

Q

.100%

Sendo que:

cpW Potncia consumida pelo compressor em Btu / h ou W.

evQ Taxa de calor fornecido ao gs de refrigerao no evaporador(Capacidade

Frigorfica ou Capacidade de Refrigerao) m Btu / h ou kcal / h.

Onde:

evcdcp QQW

Logo:

evcd

ev

QQ

QCOP

40

III- Compressores

III.1.1- Classificao dos Compressores:

Comumente so usados trs tipos de compressores na refrigerao: alternativos,

rotativos e o centrfugo.

Todos os trs tipos de compressores tm certas vantagens em seu prprio campo de uso.

Na maioria dos casos, o tipo de compressor empregado em qualquer aplicao individual

depende da dimenso e da natureza da instalao e do refrigerante usado.

1- Compressores Alternativo:

So compressores de descolamento positivo, onde a compresso do vapor efetuada

mecanicamente por meio de um elemento de compresso, os pistes.

1.1- Tipos de compressores alternativos:

1.1.1- Compressores de um estgio:

So aqueles que possuem apenas um cilindro para compresso do gs.

- Tipos de Compressores de um estgio:

a) Hermticos : So compressores fechados, onde o motor e o sistema de compresso so blindados, isto

, mantm - se juntos dentro de uma carcaa. Tanto o motor quanto o sistema de compresso

tem um eixo comum.

42

b) Semi Hermtico : Neste tipo de compressor o sistema de compresso no encontra se no mesmo eixo do

motor mas ambos apresentam-se fechados e separados.

1.1.2- Compressores de dois estgios( ou duplo estgio):

Neste compressor existem 2 pistes; onde o gs ao sair comprimido do primeiro estgio

passa por um trocador de calor, com intuito de resfri-lo, e entra no segundo estgio para ser

comprimido pelo segundo cilindro, aumentando com isso a presso.

- Tipos de compressor de 2 estgios( ou duplo estgio)

a) Semi abertos : Neste compressor o sistema de compresso no encontra se no mesmo eixo do motor

mas ambos apresentam-se fechados e separados, conforme mostra a figura abaixo.

43

b) Abertos : Neste compressor o sistema de compresso e o motor apresentam-se separados, sendo

que o sistema de compresso acionado por um conjunto de polias e correias, conforme

mostra a figura abaixo.

1.1.3- Compressores de mltiplos estgios:

Estes compressores apresentam vrios cilindros, no qual o gs passa por estes cilindros

at atingir a presso mxima desejada para o trabalho.

- Tipos de compressores de mltiplos estgios:

a) Semi-aberto; b) Aberto;

44

1.2- Caractersticas dos compressores alternativos:

a) So compressores de deslocamento positivo, isto , o fluido( no caso o gs) ao ser comprimido mantm a mesma trajetria do mecanismo de compresso( no caso os

pistes).

b) Apresentam uma boa durabilidade e boa eficincia.

c) usado principalmente em sistema de refrigerao onde a presso de condensao alta.

d) Os refrigerantes extensivamente usados com compressores alternativos so: R-12, R134, R-22, R-500, R-502 e 717(amnia).

e) utilizado para sistema de refrigerao com a capacidade de refrigerao( ou frigorfica) at 1000 kW.

f) Os compressores alternativos tambm podem ser classificados, quanto a atuao do

pisto, da seguinte maneira:

45

(i) Simples efeito : quando apenas uma das faces do pisto atua comprimindo o gs;

(ii) Duplo efeito : quando ocorre a ao das duas faces do pisto sobre o gs.

2- Compressores Rotativos:

So compressores do tipo deslocamento positivo, onde os elementos de compresso

apresentam as seguintes formas abaixo.

- Helicoidal( parafuso);

46

- Lbulos;

47

- Palhetas( ou aletas);

48

- Rolete Excentrico;

2.1 Caractersticas dos compressores rotativos :

a) So compressores do tipo deslocamento positivo.

b) Apresentam uma boa durabilidade e boa eficincia.

c) Geram pouco rudo, isto , so mais silenciosos.

d) Utilizado em sistemas de refrigerao com capacidade frigorfica( ou de refrigerao) elevada.

e) Dentre os compressores rotativos, o mais utilizado na refrigerao, o compressor de parafuso, principalmente em instalaes de grande capacidade.

3- Compressores Centrfugos:

Este compressor no apresenta um elemento de compresso. Neste caso a compresso do

gs (ou vapor) devido a ao da fora centrfuga, onde o gs adquire energia cintica devida

ao movimento de rotao do rotor, em alta velocidade.

3.1- Funcionamento dos compressores centrfugos utilizados em um sistema de

refrigerao:

O vapor a baixa presso e abaixa velocidade na linha de suco aspirado na cavidade

de entrada da roda propulsora(o rotor) ao longo do eixo da rvore do rotor. Ao entrar no rotor,

o vapor forado radialmente para fora entre o empalhetamento do impulsor, pela ao de

49

uma fora centrfuga proporcionada pelo rotor, e descarregado das pontas das ps para o carter

do compressor em alta velocidade e alta temperatura e presso. O vapor a alta presso e alta

temperatura descarregado das periferias do rotor coletado nas passagens projetadas

especialmente no revestimento, o que reduz a velocidade do vapor e direciona o mesmo para

entrada do impulsor no prximo estgio.

3.2- Tipos de compressor centrfugo:

- Compressor centrfugo com um nico estgio; - Compressor centrfugo com duplo estgio; - Compressor centrfugo com mltiplo estgio;

50

4- Compressores do Tipo Scroll:

52

Nota : Para montagem de alguns sistemas de refrigerao utilizado o conjunto

compressor + condensador, o qual denominamos de unidade condensadora. Alguns tipos

de unidades condensadoras so apresentados abaixo.

Nota: As figuras baixo, apresentam os principais elementos(ou dispositivos) mecnico

que fazem parte dos compressores.

54

III.1.2- Lubrificao dos Compressores:

III.1.2.1- leos lubrificantes dos Compressores

Como o leo de lubrificao do compressor geralmente entra em contato e muita vezes

mistura-se com o refrigerante do sistema, torna-se necessrio que o leo usado para lubrificar

os compressores de refrigerao seja preparado especialmente para este fim. Algumas das

propriedades mais importante do leo que devem ser consideradas na ocasio da escolha do

leo de lubrificao do compressor so:

(1) Estabilidade Qumica : a capacidade do leo manter sua funo de lubrificao por um longo perodo de tempo.

(2) Ponto de Fluidez e / ou congelamento : a temperatura mais baixa qual o leo fluir.

Obs: Como todo leo de lubrificao contm uma certa quantidade de parafina, ao

reduzirmos a temperatura a cera comea a se precipitar do leo, este ponto corresponde ao

ponto de nvoa.

(3) Resistncia Dieltrica : a capacidade do leo resistir ao fluxo de corrente eltrica.

(4) Viscosidade : a capacidade do leo resistir ao escoamento.

Na avaliao destas propriedades do leo com relao a um compressor separadamente,

todos os fatores que seguem podem ser tomados em considerao:

Tipo e projeto do compressor;

Natureza do refrigerante;

Temperatura do evaporador;

Temperatura de descarga do compressor;

III.1.2.2 Mtodos de Lubrificao :

Os mtodos de lubrificao do compressor variam conforme o tipo e o tamanho do

compressor e conforme cada fabricante. Pois, na maioria, os mtodos de lubrificao podem

ser classificados de dois tipos:

(1) Atomizao( ou lubrificao inundada):

Neste mtodo o crter do compressor age como um reservatrio de leo e cheio com

leo at um nvel aproximadamente igual ao nvel da base dos mancais da manivela principal.

55

A cada rotao do eixo de manivela, a biela e o eixo de manivela( ou excntrico) mergulham

dentro do leo fazendo com que este respingue para cima sobre as paredes do cilindro,

mancais e outras superfcies de atrito.

Obs: Este tipo de lubrificao emprega anis borrifadores, discos, roscas ou dispositivo

semelhante para elevar o leo a um nvel acima do eixo de manivela ou mancais principais, de

onde ele pode alagar os e/ ou alimentar atravs das passagens de leo para vria superfcies de

atrito.

(2)Lubrificao por alimentao forada :

Neste caso o leo forado sob presso atravs dos tubos de leo e/ ou passagens furadas no

eixo de manivela e biela para vrias superfcies de atrito. Depois de desempenhar sua funo

de lubrificao, o leo escoa por gravidade de volta para um reservatrio localizado no crter

do compressor

Obs: O leo circulado sob presso, devido a uma pequena bomba de leo localizada no

crter do compressor, geralmente na extremidade do eixo de manivela. Os filtros de leo so

sempre localizados na entrada de suco da bomba de leo para evitar a entrada de material

estranho na bomba.

As tabelas abaixo mostram os tipos de leos utilizados em compressores de refrigerao

residenciais e industriais. Sendo que a utilizao destes leos esta relacionado ao tipo de gs

refrigerante utilizado no sistema.

59

Tabela da linha Suva de Fluidos Refrigerantes DuPont

Referncia da

DuPont Cdigo

ASHRAE leo

Em substituio ao

seguinte gs

Suva MP39 R-401A OM/AB R-12

Suva 409A R-409A OM/AB R-12

Suva MP66 R-401B OM/AB R-500 e R-12

Suva 134a R-134a POE/PAG R-12

Suva HP80 R-402A OM/AB R-502

Suva 408A R-408A OM/AB R-502

Suva HP81 R-402B OM/AB R-502

Suva HP62 R-404A POE R-502

Suva 507 R-507 POE R-502

Suva 95 R-508B POE R-13. R-503 e R-23

Suva 407C R-407C POE R-22

Suva 410A R-401A POE R-22

Suva 123 R-123 OM/AB R-11

OM = leo Mineral / AB = AlquiBenzeno / POE = Poliol ster

PAG = Polialquilenoglicol

A DuPont recomenda que se consulte o fabricante antes de se

realizar um Retrofit.

60

IV - REFRIGERAO

IV.1- Definies

Geralmente define-se refrigerao como qualquer processo de remoo de calor. Mas

especificamente, a refrigerao definida como o ramo da cincia que trata dos processos de

reduo e conservao da temperatura de um espao ou material, abaixo da temperatura do

ambiente circundante. Para conseguir isto, o calor deve ser removido do corpo que est sendo

resfriado e transferido para outro, de tal forma que a temperatura esteja mais baixa que a do

corpo refrigerado.

O regime ao qual o calor deve ser removido do material ou de uma cmara refrigerada, a

fim de produzir e manter as condies de temperatura desejada chamado de carga de

refrigerao ou carga de resfriamento ou carga trmica. Na maioria das aplicaes de

refrigerao, a carga total de resfriamento no equipamento de refrigerao a soma dos

ganhos de calor de vrias fontes diferentes:

Calor transmitido por conduo atravs de paredes isoladas.

Calor que deve ser removido do ar quente que entra na cmara atravs de portas abertas e

fechadas.

Calor que deve ser removido do produto refrigerado para reduzir a temperatura deste `a

temperatura de armazenamento.

Calor cedido por trabalhadores na cmara ou por motores, luzes, e outros equipamentos de

produo de calor funcionando na cmara.

Em qualquer processo de refrigerao, a substncia empregada como absorvente de

calor ou agente de resfriamento chamada de refrigerante.

Todos os processos de resfriamento podem ser classificados como sensveis ou latentes

de acordo com o efeito que o calor absorvido tem sobre o refrigerante. Quando o calor

absorvido causa uma elevao na temperatura do refrigerante o processo de resfriamento

chamado de sensvel, enquanto que quando o calor absorvido causa uma mudana de fase do

refrigerante, o processo de resfriamento chamado de latente.

IV.2- Aplicaes da Refrigerao

Para convenincia de estudos, as aplicaes de refrigerao podem ser reunidas dentro de

cinco categorias gerais:

Refrigerao domstica.

Refrigerao comercial.

Refrigerao industrial.

Refrigerao martima e de transporte.

Condicionamento de ar

(1) Refrigerao Domstica:

A refrigerao industrial esta relacionada a fabricao de refrigeradores de uso

domstico e congeladores caseiros(freezer). As unidades domsticas geralmente utilizam

compressores de pequeno porte, fechados hermeticamente e apresentam potncias nominais

entre 1/20 e 1/2 CV.

61

(2) Refrigerao Comercial:

A refrigerao comercial abrange projeto, instalao e manuteno de instalaes

refrigeradas do tipo usado pelas lojas de varejo, restaurantes, hotis e locais de

armazenamento de produtos perecveis. Os equipamentos comerciais podem ser agrupados em

trs categorias principais: Refrigeradores de acesso imediato, frigorfico de acesso imediato,

frigorficos de acesso por pessoa (cmaras frigorficas) e os balces ou geladeiras de

exposio.

(3) Refrigerao Industrial:

As aplicaes industrias so maiores que as comerciais em tamanho e tem caractersticas

marcante de requererem um operador de servio. As aplicaes tpicas industrias so fbricas

de gelo, grandes instalaes de empacotamento de gneros alimentcios, cervejarias e fbricas

laticnios.

(4) Refrigerao Martima e de Transporte:

A refrigerao martima refere-se a refrigerao a bordo de embarcaes martimas e

inclui, por exemplo, refrigerao para barcos de pesca e para embarcaes de transporte de

carga perecvel, assim como para os navios de armazenamento ou embarcaes de todos os

tipos.

A refrigerao de transporte relaciona-se com os equipamentos de refrigerao quando

aplicada a caminhes, tanto para transportes a longa distncia como para entregas locais e a

vages ferrovirios refrigerados.

62

IV.3- Ciclo de Compresso a Vapor

O ciclo simples de refrigerao de compresso do vapor composto de quatro processos

fundamentais:

- expanso

- vaporizao

- compresso

- condensao

vlvula de

expanso

63

IV.3.1 Ciclo de Compresso a vapor utilizado para um sistema de refrigerao industrial :

- Diagrama Esquemtico do ciclo:

64

1) Equipamentos e suas funes dentro do ciclo:

(a) Compressor:

o equipamento que impulsiona o gs refrigerante(fluido de trabalho) por todo o

circuito. Sendo que este opera com o fluido na fase de vapor saturado ou superaquecido.

Obs : Neste equipamento verifica-se que a presso de descarga e a temperatura de

descarga so maiores que a presso de suco e a temperatura de suco.

(b) Separador de leo:

Este equipamento tem como funo separar leo que arrastado pelo gs, ao passar pelo

compressor.

Obs: leo separado neste equipamento retorna para o compressor.

66

(c) Condensador:

Este equipamento tem como funo retirar calor do gs(fluido de trabalho) que passa

pelo mesmo. Sendo que o fluido de trabalho entra como vapor superaquecido e sai do

condensador como lquido.

- Tipos de Condensadores:

1- Condensador resfriado a Ar:

67

2- Condensador resfriado gua:

68

3- Condensador evaporativo (ou Torre de Resfriamento):

70

(d) Filtro Secador :

Este equipamento tem como funo retirar a umidade do fluido de trabalho que atravessa

a linha de lquidos.

71

(e) Vlvula de Expanso

Este equipamento tem como funo controlar a presso de evaporao do sistema. Neste

dispositivo quando o fluido de trabalho passa pela vlvula de expanso reduz-se a presso e a

temperatura do mesmo.

- Tipos de vlvula de expanso:

1- Vlvula de expanso manual:

72

2- Vlvula de expanso termosttica:

73

3- Vlvula de expanso automtica:

74

(f) Evaporador :

Este equipamento tem como funo fornece calor a fluido de trabalho para que o mesmo

deixe o equipamento como vapor superaquecido(dependendo da eficincia do mesmo).

75

g) Separador de lquidos:

2) Principais Linhas do circuito:

- Linha de alta presso = Linha de descarga

- Linha de Lquidos

- Linha de baixa presso = Linha de suco

3) Coeficiente de Eficcia ():

cp

ev

W

Q

Onde :

- evQ Capacidade de refrigerao ( ou capacidade frigorfica).

- cpW Potncia consumida pelo compressor.

Unidades de evQ ,

cpW : Btu / h ; Kw ; Btu / min ; TR ( tonelada de refrigerao)

Obs:

1TR = 3516,8 W

1W = 3,4122 Btu / h

4) Efeito de Refrigerante (qev) :

a quantidade de calor que cada unidade de massa de refrigerante absorve da cmara de

refrigerao.

76

evev Qmq

Onde:

- m vazo mssica de refrigerante - evQ

Capacidade de refrigerao

Obs: Unidade de m : kg/h ; lb/h ; lb/min

77

5) Avaliao da Carga Trmica :

A carga trmica no equipamento de refrigerao raramente resulta de alguma fonte

particular de calor. De preferncia, ela a soma do calor que usualmente se desprende da

vrias fontes diferentes. Algumas das fontes mais comuns que abastecem a carga do

equipamento de refrigerao so:

(a) O calor que escapa da cmara refrigerada para o exterior, por conduo atravs das paredes isoladas.

(b) O calor que entra na cmara por radiao direta atravs de vidro ou outros materiais transparentes.

(c) O calor que entra na cmara por ao do ar quente exterior que entra atravs de portas abertas ou atravs de fendas em volta da janelas ou portas.

(d) O calor cedido por um produto quando sua temperatura reduzida ao nvel desejado. (e) O calor cedido por pessoas que ocupam o espao refrigerado. (f) O calor cedido por qualquer equipamento gerador de calor, localizado no interior da

cmara, tal como, motores eltricos, luzes, equipamentos, eletrnicos, mesas de vapor,

cafeteiras e secadores de cabelo.

Obs: A importncia de cada fonte de calor com relao a carga trmica total, ir variar

de acordo com cada aplicao.

A fim de simplificar os clculos de carga trmica, a carga trmica total dividida em um

nmero de cargas individuais, de acordo com as fontes de calor suprindo a carga. A soma

destas cargas individuais a carga trmica total sobre o equipamento.

Na refrigerao comercial, a carga trmica total dividida em quatro cargas separada,

que so: carga cedida pelas paredes, carga de mudana de ar, carga do produto e a

mistura(carga suplementar).

(i) A Carga cedida pelas paredes

A carga cedida pelas paredes, algumas vezes chamada carga de disperso da parede, a

medida da taxa de fluxo de calor por conduo atravs das paredes do espao refrigerado do

exterior para o interior.

(ii) A carga devido a Troca de Ar

Quando a porta de um espao refrigerado aberto, o ar quente exterior entra no espao

para substituir o ar frio, mais denso que perdido do espao refrigerado atravs da porta

aberta. O calor que deve ser removido deste ar exterior quente para reduzir sua temperatura e o

teor de umidade para as condies designadas do espao torna-se uma parte da carga trmica

total no equipamento. Esta parte chamada de carga de troca de ar.

Obs: Nas aplicaes de condicionamento de ar, a carga de troca de ar chamada tanto

de carga de ventilao como de carga de infiltrao. O termo carga de ventilao usado

quando as trocas de ar no espao condicionado so o resultado de introdues

78

deliberadas de ar exterior dentro do espao para fins de ventilao. O termo carga de

infiltrao usado quando as trocas de ar so o resultado da infiltrao natural do ar

dentro do espao atravs de fendas em portas e outras aberturas. Cada aplicao de

condicionamento de ar envolver tanto uma carga de infiltrao como uma carga de

ventilao, mas no ambas na mesma aplicao.

(iii) A carga de Produto

A carga de produto formada do calor que deve ser removido do produto refrigerado a

fim de reduzir sua temperatura ao nvel desejado. O termo produto aqui usado aplicado

para designar qualquer material cuja temperatura reduzida pelo equipamento de refrigerao

e inclui no somente gneros de primeira necessidade perecveis, mas tambm artigos tais

como eletrodos para solda, massa de concreto, plstico, borracha e lquidos de todas as

qualidades. Em algumas circunstncias, o produto congelado, neste caso o calor latente

removido tambm uma parte da carga do produto.

(iv) A Carga Mista

A carga mista, algumas vezes referida como carga suplementar, determina todas as

fontes mistas de calor. A principal entre estas so as pessoas trabalhando ou ocupando o

espao refrigerado sempre com luzes ou outro equipamento eltrico operando dentro do

espao.

Obs: Na maioria das aplicaes de refrigerao comerciais, a carga mista

relativamente pequena, consistindo geralmente do calor cedido pelas luzes e motores de

ventilao usados dentro do espao.

6) Determinao da Capacidade Trmica Requerida pelo Equipamento(Qev):

Capacidade Trmica Requerida pelo Equipamento em Btu / h = ft

CTT

CTT = Carga trmica total em Btu / 24h .

tf = Tempo de Funcionamento do Equipamento em horas.

79

7) Aplicao: Diagrama Esquemtico para um Sistema de Condicionamento de Ar

- Expanso direta:

Os equipamentos de expanso direta caraterizam-se por disporem de serpentinas onde expande

um fluido refrigerante - absorvendo calor e arrefence o espao em redor - que so atravessadas

pelo ar a tratar, o qual refrigerado pelo contato direto com elas.

Podem ser usados equipamentos compactos autocontidos que so aqueles que renem, numa

nica caixa ou unidade, todas as funes requeridas para o funcionamento do ar condicionado.

A totalidade do ciclo de refrigerao realizada no interior da caixa do equipamento.

Exemplos destes tipos de aparelhos, so os comuns ares condicionados individuais de janela

ou os do tipo roof top unit (unidades compactas de cobertura) ou RTU com maior capacidade,

que permitem a distribuio de ar mediante condutas.

Os equipamentos split (separado) diferenciam-se dos sistemas compactos por estarem

divididos em duas unidades ou caixas separadas, uma situada no exterior e outra no interior do

local a climatizar. Esta separao tem como objetivo dividir as fases do ciclo de refrigerao,

ficando a fase de evaporao no interior e a fase de condensao no exterior. Ambas as

unidades esto unidas entre si, atravs de tubos por onde circula o refrigerante.

Os sistemas multi split constituem uma variante dos sistemas split. Dispem de uma nica

unidade de condensao exterior, qual se podem ligar duas ou mais unidades de evaporao

interiores. Desenvolveram-se equipamentos deste tipo que permitem colocar uma grande

nmero de unidades de evaporao, mediante a regulao do fluido refrigerante, as quais so

conhecidas por "VRV (volume de refrigerante varivel)".

Todos estes sistemas empregam ventiladores para fazerem circular o ar que arrefece o

condensador e o ar que tratado e arrefecido para ser introduzido no interior.

82

- Expanso indireta:

Este tipo de sistema utiliza unidades de produo de gua refrigerada (chillers), gua essa que

distribuda pelos vrios equipamentos de tratamento do ar, como as UTA, as UTAN ou os

ventiloconvectores (fan-coils). Nestes equipamentos, existe uma serpentina - por onde circula

a gua fria - que atravessada pelo ar a tratar, que em contacto com ela arrefece.

84

IV.4- Ciclo de Refrigerao por Absoro

H vrios tipos de sistemas de refrigerao por absoro, dentre os quais os que usam

como refrigerante a soluo de brometo de ltio como absorvente e gua como refrigerante e a

soluo de gua como absorvente e a amnia como refrigerante. O ciclo de refrigerao por

absoro semelhante ao ciclo de compresso de vapor, dado que utiliza um refrigerante

voltil, normalmente amnia ou gua, que alternadamente vaporiza no evaporador a baixa

presso por absoro do calor latente do material a ser esfriado e que condensa a alta presso

no condensador por devoluo do calor latente ao meio a ser condensado.

A principal diferena entre os ciclos de absoro e de compresso de vapor, a fora

motriz que circula o refrigerante atravs do sistema e que origina o diferencial de presso

necessrio entre os processos de vaporizao e condensao. No ciclo de absoro, o

compressor de vapor utilizado no ciclo de compresso a vapor substitudo por um

absorvedor e gerador que realizam todas as funes operadas pelo compressor. Alm disso

enquanto a energia interna exigida pelo ciclo de compresso fornecida pelo trabalho

mecnico do compressor, a energia interna do ciclo de absoro fornecida em forma de calor

diretamente ao gerador.

IV.4.1- Combinaes de Refrigerante Absorvente

Para se poder aplicar um sistema de absoro refrigerante, h certos critrios que indicam que a combinao refrigerante absorvente deve obedecer, pelo menos a certos pontos. evidente que o absorvente deve Ter uma grande afinidade com o vapor do

refrigerante e os dois devem ser mutuamente solveis na quantidade exigida pelas condies

de funcionamento. Os dois fluidos devem ser estveis e no corrosivos, tanto individualmente

como em combinao. Idealmente, o absorvente deve Ter uma volatilidade pequena para que

o vapor de refrigerante que sai do gerador, contenha pouco ou nenhum absorvente e as

presses de funcionamento devem ser razoavelmente baixas e de preferncia com valor

semelhante ao da presso atmosfrica, para minimizar o peso do equipamento e as perdas

interiores e exteriores do sistema. O refrigerante deve ter um calor latente suficientemente alto

para que a relao de fluxo de refrigerante requerida no seja excessiva.

Atualmente, existem duas combinaes de refrigerante absorvente que so mais utilizados. A mais antiga, em termos de utilizao, amnia e a gua, na qual a amnia o

refrigerante e a gua o absorvente. A combinao mais recente gua e o brometo de ltio,

na qual a gua o refrigerante e o brometo de ltio, na qual a gua o refrigerante e o brometo

de ltio, que um sal higroscpio, o absorvente.

85

IV.4.2 Tipos de Sistema de Refrigerao por Absoro

(i) Sistema de Amnia gua

Os sistemas de amnia gua so normalmente utilizados em sistemas comerciais e

industriais onde a temperatura do evaporador mantida perto ou abaixo de 32 F. A combinao amnia gua obedece excepcionalmente bem algumas das exigncias mais importantes, mas apresenta algumas falhas em outras. A gua que funciona como absorvente

tem uma grande afinidade com o vapor de amnia e os dois so mutuamente solveis em uma

grande gama de condies de funcionamento. Ambos os fluidos so altamente estveis e so

compatveis com a maior parte dos materiais utilizados nos sistemas de refrigerao. Uma

exceo importante o cobre e as suas ligas. Abaixo mostrado o diagrama esquemtico do

sistema de absoro de amnia.

86

- Equipamentos bsicos e suas funes no sistema de absoro por amnia:

a) Gerador: Neste equipamento o refrigerante(amnia) separado do absorvente(gua) por

aquecimento da soluo e por vaporizao do refrigerante. A amnia deixa o equipamento

como vapor a alta presso e alta temperatura.

b) Analisador: um equipamento utilizado para separar gua da amnia que se encontra na fase de

vapor superaquecido.

87

c) Retificador: um trocador de calor utilizado para condensar parte do vapor de amnia.

d) Condensador: um trocador de calor utilizado para condensar o restante de amnia proveniente do

retificador, isto , transformando a amnia que se encontra como vapor superaquecido em

lquido subresfriado a alta presso. A troca de calor se ocorre com a passagem de uma gua de

refrigerao.

e) Receptor: um equipamento que funciona como um reservatrio do gs refrigerante(no caso

amnia).

f) Vlvula de Expanso: Este equipamento tem como funo reduzir a presso da amnia, que encontra-se na fase

lquida e ao mesmo tempo controlar a vazo de refrigerante que entra no evaporador.

g) Evaporador : um trocador de calor onde a amnia na fase lquida troca calor com o fluido a ser

resfriado(salmoura). Neste equipamento o lquido refrigerante(amnia na fase lquida)

vaporiza atravs da absoro do calor latente do material a ser refrigerado(a salmoura lquido a resfriar). O vapor de amnia que sai do evaporador encontra-se a baixa presso.

h) Absorvedor: Neste equipamento o vapor de amnia que chega do evaporador baixa presso

absorvido pela soluo fraca e fria da amnia em gua. Quanto menor for a temperatura do

absorvente e maior for concentrao da soluo amnia gua, menor ser a presso de vapor da soluo. Para reduzir esta temperatura o vapor de amnia a baixa presso troca calor com a

gua de refrigerao.

i) Bomba: Este equipamento faz com que a soluo rica de amnia circule pelo trocador de calor e

pelo gerador.

j) Trocador de Calor: Este equipamento utilizado para reduzir a entrada de calor no gerador e a vazo de

gua de refrigerao no absorvedor.

88

(ii) Sistemas de gua Brometo de Ltio

Os sistemas de gua e brometo de ltio so largamente utilizados em ar condicionado e

outras aplicaes de alta temperatura, mas com gua como refrigerante, no podem ser

aplicado em nenhum dispositivo onde a temperatura do evaporador seja inferior a 32F. Uma das principais vantagens do sistema gua brometo de ltio que o absorvente no

voltil e, por tal fato, no h mistura do absorvente com o vapor do refrigerante(gua) que

sai do gerador e consequentemente, no necessrio utilizar nenhum analisador ou retificador

no sistema. A figura abaixo mostra um sistema tpico de absoro de gua brometo de ltio.

Obs: O brometo de ltio, quando no est em soluo, um sal higroscpico e a sua

salmoura tem uma grande afinidade com o vapor de gua. No entanto, um desvantagem da

combinao gua brometo de ltio, que o absorvente no totalmente solvel na gua em todas as circunstncias que podem ocorrer no sistema e devem ser tomadas precaues

especiais no planejamento e funcionamento destes sistemas, para evitar que surjam condies

de precipitao e cristalizao do absorvente.

89

IV.4.3- Sistema de Absoro X Sistema de Compresso de Vapor:

O prprio equipamento de absoro muito mais simplificado e muito menos caro que o

equipamento de compresso a vapor, considerando a mesma capacidade. O sistema de

compresso a vapor possui alguma unidades mveis; os sistemas de absoro so mais

silenciosos e necessitam de menos manuteno que os de compresso de vapor. No entanto o

coeficiente termodinmico de funcionamento muito menor na mquina de absoro do que

no sistema de compresso de vapor, sendo a relao de 1 para 4 ou mais, considerando as

mesmas condies de funcionamento. Contudo, como a energia fornecida diretamente sob a

forma de calor, menos cara e mais eficiente do que quando tem de sofrer vrias

transformaes, o que foi dito anteriormente no pode ser usado como base de comparao de

custos e de exigncias de energia. As mquinas de absoro so tambm frequentemente

utilizadas em conjunto com mquinas centrfugas de turbina e, neste caso, a exausto de vapor

da turbina utilizada para fazer funcionar o equipamento de absoro.

IV.5- Refrigerantes

Definies :

qualquer substncia que age como um agente refrigerante(trmico), pela absoro de

calor de outro corpo ou substncia.

Para um ciclo de compresso vapor, o refrigerante o fluido de trabalho do ciclo que

alternadamente vaporiza e condensa quando absorve e cede calor, respectivamente.

Obs: Para ser adequado para o uso como refrigerante no ciclo de compresso a vapor, um

fluido deve possuir certas propriedades qumicas, fsicas e termodinmicas que o tornem tanto

seguro como econmico para uso.

As propriedades do refrigerante que influenciam nos parmetro capacidade de refrigerao(ou

frigorfica) e no coeficiente de performace(COP) so:

- Calor latente de vaporizao; - Volume especfico do vapor; - Taxa de compresso; - Calor especfico do refrigerante na fase lquida e de vapor(gs);

90

IV.5.1- Caractersticas:

(i) Flamabilidade e Explosibilidade:

A maior parte dos refrigerantes de uso comum so inteiramente no inflamveis e no

explosivos, com exceo da amnia e dos compostos hidrocarbonetos( R-600 e R-601).

Obs:

- A amnia ligeiramente combustvel e explosiva quando misturada em propores bastantes exatas com o ar.

- Os compostos hidrocarbonetos apresentam excelentes propriedades trmicas e so freqentemente empregados em aplicaes de temperatura muito baixa.

(ii) Efeito da Umidade:

A umidade pode combinar em vrios graus com a maioria dos refrigerantes comumentes

usados, causando a formao de compostos altamente corrosivos(solues cidas). Estas

soluo reagiro com leo lubrificante e com outros materiais no sistema, incluindo metais.

Danos que podem ocorrer no sistema com formao destas solues cidas:

- Deteriorao do leo lubrificante; - Formao de resduos metlicos que proporcionaram uma obstruo nas vlvulas e nos

dutos de passagem do leo;

- Avaria no isolamento do enrolamento do motor, proporcionado com isso um curto circuito;

Obs:

- A amnia (R-717) tem afinidade com gua e portanto capaz de absorver umidade em grande quantidade. A combinao da gua e amnia produz a gua amonaca, um alcalino

forte, que ataca metais no ferrosos, tais como cobre e lato, mas tem pequeno, seno

nenhum efeito sobre ferro e ao ou quaisquer outros materiais do sistema.

- Os compostos hidrocarbonetos, tais como propano(R-290), butano(R-600) e isobutano(R-601) absorvem pouca umidade.

- Os refrigerantes halocarbonados(R-12, R-22, R134a, etc) absorvem umidade e formam solues cidas em grandes quantidades as vezes.

(iii) Miscibilidade do leo:

Esta propriedade esta relacionada a capacidade do leo misturar-se com o refrigerante.

Com relao a miscibilidade do leo, os refrigerantes podem ser divididos em trs

grupos:

(1)Aqueles que so miscveis com leo em todas as propores sob condies

encontradas no sistema de refrigerao.

(2)Aqueles que so miscveis sob condies normalmente encontradas na seo de

condensao, mas separados dos leos sob as condies normalmente encontradas na seo do

evaporador.

91

(3)Aqueles que no so de qualquer modo miscveis com leo nas condies

encontradas no sistema.

Condies:

- Os leos lubrificantes normalmente so miscveis com os refrigerantes do tipo

compostos halogenados( ou de halocarbono), a temperatura ambiente, mas pode haver

separao a temperaturas baixas.

- A amnia e os e os Hidrocarbonetos(Compostos Orgnicos), so refrigerantes mais

leves logo se separam facilmente do leo.

Obs: A presena excessiva de leo em trechos do sistema como no evaporador, no

condensador e no tubo capilar( por exemplo), pode ocasionar:

- A queda do coeficiente de performace do ciclo(COP). - Reduz a capacidade de refrigerao do ciclo. - Prejudica a troca de calor no interior dos condensadores e do evaporador. - Caso fique retido em excesso no evaporador pode proporcionar uma perda de leo no

compressor, o que perigoso.

importante em um sistema de refrigerao utilizarmos o leo adequado para o tipo de

refrigerante que opera no sistema, conforme mostra as tabelas

(iii) Compatibilidade com os materiais:

a) Com Metais:

- Os compostos halogenados podem trabalhar com metais com: ao, ferro fundido, lato, cobre, estanho e zinco.

Obs: No deve-se usar zinco com R-11 ou R113.

- A amnia no pode ser usada com metais do tipo: cobre, lato e outras ligas de cobre.

b) Com Elastmeros:

- No deve ser utilizada borrachas do tipo Buna N e Buna S refrigerantes do tipo halogenados.

b) Com Plsticos:

A maioria dos gases podem trabalhar com os seguintes matrias:

- Resina de Epoxi; - Teflon(Resina de Fluocarbono); - Viton;

IV.5.2- Tipos de Refrigerantes:

92

Os refrigerantes podem ser classificado da seguinte forma segundo ASHRAE :

1- Composto de Halocarbono( ou Fluorcarbonos ou Halogenados):

Exemplos:

a) R-11:

- Formula Qumica: CCl3F - Nome Qumico: Triclomonofluorometano - Utilizado:

Largamente usado em compressores centrfugos para sistema de ar

condicionado industrial e comercial.

Usado para sistema de refrigerao que opera com gua ou salmoura.

Como lquido de arrefecimento(possuindo baixa temperatura).

Refrigerante secundrio.

Obs: Este gs apresenta baixa viscosidade.

b) R-12:

- Formula Qumica: CCl2F2 - Nome Qumico: Diclorodifluorometano - Utilizado:

Em sistemas de refrigerao comercial, domstico, carros e em ar

condicionados(residncias).

Usado como componentes de uma mistura azeotrpica.

c) R-22:

- Formula Qumica: CHClF2 - Nome Qumico: Monoclorodifluorometano - Utilizado:

Em sistemas de refrigerao comercial, domstico, carros e em ar

condicionados(residncias).

Usado como componentes de uma mistura azeotrpica.

c) R-114:

- Formula Qumica: CHClF2 - CHClF2 - Nome Qumico: Diclorotetrafluoroetano - Utilizado:

Em grandes sistemas de refrigerao comercial e ar condicionados que

utilizem compressores centrfugos de estgios mltiplos.

93

2- Misturas Azeotrpicas:

a) R-500:

composto pela mistura dos seguintes gases: R-12 e R-152a .

b) R-501:

composto pela mistura dos seguintes gases: R-22 e R-12 .

c) R-502:

composto pela mistura dos seguintes gases: R-11 e R-115 .

3- Composto Orgnico (Hidrocarbonetos)

a) R 600:

Formula Qumica: CH3CH2CH2CH3

- Nome Qumico: Butano - Utilizado:

Em sistemas que operem a baixa de temperatura.

Pode ser substitudo pelos refrigerantes R-13, R-14, e R-503.

b) R 601:

- Formula Qumica: CH(CH3)

- Nome Qumico: Isobutano

- Utilizado:


Pode ser substitudo pelos refrigerantes R-13, R-14, e R-503

5- Composto Inorgnicos:

a)R 701:

- Formula Qumica: NH8

- Nome Qumico: Amnia - Utilizado:


94

Em sistemas de refrigerao que operem com compressores de grande

porte(compressores alternativo do tipo aberto, rotativo e centrfugos), grande

instalaes de armazenagem fria e em fbricas de gelo.

Obs: Apesar de proporcionar volume especfico elevado no estado de vapor, permite

uma elevada capacidade de refrigerao com um deslocamento do pisto relativamente

pequeno.

As tabelas abaixo apresentam os principais refrigerantes e suas nomenclaturas segundo

a ASHRAE:

97

Nota: Retrofit o procedimento de substituio do fluido refrigerante original de um equipamento,

por um fluido refrigerante alternativo, visando manter a mesma performace e mesma

confiabilidade do sistema.

O Retrofit com a utilizao de um blend uma boa opo, visto que na maioria dos casos no

necessria a substituio do compressor e as modificaes do sistema so mnimas.

Apresenta-se a seguir, as etapas de um retrofit genrico, considerando cada uma das

caractersticas dos refrigerantes alternativos apresentados neste boletim, porm, esta descrio

no tem a pretenso de ser um procedimento a ser seguido passo a passo, nem um endosso

da utilizao destas alternativas de refrigerantes. Recomenda-se sempre consultar o fabricante

do equipamento e/ou os fabricantes dos componentes e fluidos refrigerantes, quando houver

dvidas ou necessidade de detalhes especficos.

1. Coletar dados de performace (condies de temperatura e presso) do equipamento

operando com R12.

2. Recolher o refrigerante R12 do equipamento utilizando os recursos adequados (sem emisso

para o meio ambiente).

3. Verificar as caractersticas do compressor instalado, em relao ao refrigerante alternativo

que ser utilizado. Recomenda-se que em nenhum caso seja substitudo o leo do compressor.

3.1. Se o retrofit for feito para o R134a, deve-se substituir o compressor por outro que

seja compatvel com o refrigerante e efetuar uma limpeza completa no sistema, a fim de se

eliminar todo o resduo de R12 e leo. Para a limpeza, recomendamos o uso de nitrognio e do

prprio R134a.

3.2. Se o refrigerante alternativo escolhido for o R600a, necessrio a substituio do

compressor por outro compatvel.

3.3. Quando a substituio feita por blend, e o compressor j estiver carregado com

leo alquilato, como o caso do compressor Tecumseh para R12 fabricado a partir de 1994,

no necessrio sua substituio.

4. Substitua o filtro secador por um compatvel com o refrigerante alternativo, conforme o

item 4.1 deste boletim.

5. Checar vazamentos e realizar o vcuo atingindo uma presso absoluta de 200 microns de

Hg.

6. Ajustar o elemento de expanso (capilar ou vlvula) quando necessrio, de acordo com o

item 4.2 deste boletim.

7. Carregar o sistema com o refrigerante alternativo escolhido, verificando suas

particularidades.

8. Ligar o produto e comparar as condies de operao do equipamento com as condies de

operao registradas na primeira etapa do retrofit.

9. Se necessrio, ajustar os parmetros do sistema para atingir as condies originais de

operao, como por exemplo: carga de refrigerante, elemento de expanso, etc...

10. Identificar o produto quanto ao tipo de refrigerante utilizado e quantidade de fluido

refrigerante aplicada.

- Tabela com os gases refrigerantes substitutos

100

V.6 Dispositivos para Controle nos Sistemas de Ar Condicionado

H trs objetivos principais ao se projetar um sistema de controles numa instalao de ar

condicionado:

- Conforto; - Economia; - Segurana;

O conforto consegue-se mantendo a temperatura e umidade relativa do ambiente dentro

dos limites desejveis; a economia obtida fazendo-se com que certos equipamentos sejam

desligados nos momentos de menor carga trmica; a segurana obtida acionando-se certos

dispositivos toda vez que h alguma anormalidade no funcionamento da instalao.

Os dispositivos de controle podem ser de dois tipos:

- Liga Desliga(on-off) Ex: termostato, pressostato

- Gradual Ex: vlvula de expanso termosttica, vlvula de expanso manual, vlvula de expanso automtica

Os sistemas de controle mais usados em ar condicionado so:

- Eltrico; - Pneumtico; - Autonmos;

Os sistemas eltricos so os mais usuais e se baseiam no princpio de que pequenas

podem controlar grandes cargas. H dois circuitos bsicos no controle eltrico:

- circuito de fora, que aciona a mquina operatriz; - circuito de controle, que uma vez fechado possibilita o fechamento da chave do circuito de

fora;

Os sistemas pneumtico so acionados por ar comprimido, normalmente a baixa

presso( at 1,05 kgf/cm2), e servem para abrir ou fechar vlvulas ou registros.

Os controles autnomos so assim chamados porque no precisam de fonte externa para

agir; utilizam o princpio da dilatao de um lquido voltil para fazer abrir ou fechar uma

vlvula.

IV.6.1- Controles Eltricos:

Os controles eltricos podem ser:

- de acionamento dos equipamentos; - de operao do sistema;

O controle de acionamento conseguido por meio de chaves, rels, contactores,

lmpadas sinalizadoras, botoeiras liga desliga disposto de maneira adequada a dar partida, proteger e interromper os diversos equipamentos que devem entrar em operao segundo uma

sequncia apropriada. O controle de operao do sistema conseguido por meio de

101

termostatos, umidistatos, pressostatos, vlvulas solenides, cuja funo manter o recinto

dentro das condies de conforto desejadas.

Definies de alguns instrumentos utilizados para controle do sistema eltrico:

(1) Chaves Eltricas So dispositivos destinados a ligar - desligar e proteger os circuitos, com comando local.

(2) Contactores So equipamentos destinados a ligar desligar e proteger, com comando a distncia ou

local, possuem internamente o circuito de controle e o circuito de fora.

(3) Rel auxiliar

So equipamentos que permitem liga - desligar ou outros circuitos auxiliares, no

possuindo circuito de fora.

(4) Rel de sobrecarga

So equipamentos de proteo que se abrem quando a corrente ultrapassa certos limites.

(5) Botoeira de liga e desliga So dispositivos para ligar e desligar os circuitos;

(6) Lmpadas sinalizadoras

So dispositivos que servem para mostrar se um circuito est ligado ou desligado.

(7) Termostato

So equipamentos que permitem a regulao de temperatura atravs de contatos que se

abrem no limite mximo e se fecham no limite mnimo.

102

(8) Pressostato

So equipamentos que operam por presso mxima(desligam o circuito) ou por presso

mnima(ligam o circuito).

(9) Umidistato

So aparelhos que regulam a umidade relativa do ambiente, abrindo ou fechando o

circuito conforme os limites desejveis.

103

(10) Vlvula solenides

So vlvulas que abrem ou fecham o fluxo de um fluido qualquer(gua, freon, vapor,

etc)mediante a atuao de uma bobina eltrica comandada por um outro equipamento

controlador.

104

Apndice A

Trocadores de Calor

1- Definio:

um equipamento onde dois fluidos com temperaturas diferentes(distintas) trocam calor

por conveco e conduo atravs de uma interface metlica.

Para construo dos trocadores de calor baseamos nas normas da ASME, ou

TEMA(Associao de Fabricantes de Trocadores de Calor Tubular).

2 Tipos de Trocadores de Calores:

Cada trocador de calor apresenta geometria distinta, como mostrado abaixo:

- Condensadores:

de Tubo Liso

de Tubo Aletado - Evaporadores:

- de Tubo Liso - de Tubo Aletado

- Cooler

- Aquecedores:

105

3- Classificao dos Permutadores de Calor ou Tocadores de calor:

3.1- De corrente paralela :

Os fluidos escoam na mesma direo e no mesmo sentido.

3.2- De corrente oposta ou contracorrente:

A direo do escoamento dos 2 fluidos a mesma, porm em sentidos opostos.

106

3.3- De corrente cruzadas:

Os dois fluidos escoam em direes ortogonais sendo que ambos no se misturam.

3.4- De passes mltiplos:

Nesses os tubos apresentam mais de um trajeto de ida e retorno(passes) dentro de um

mesmo encamisamento; sendo que o fluido pode entrar e sair pelo mesmo lado.

107

3.5- De tubo duplo ( ou dupla jaqueta):

Este tipo de trocador de calor apresenta uma excelente rea de troca de calor.

108

3.6 Trocador de Calor de Tubo e Carcaa:

v

109

Observao:

a) Chicanas verticais nos trocadores de calor so chapas circulares que apresentam aberturas em suas extremidades. Este elemento tem como funo manter a rigidez

dos tubos e aumentar a velocidade do escoamento na camisa proporcionando maior

coeficiente de filme na transmisso de calor.

b) Determinao da rea total de troca de calor(AT):

LdNNA TPT

Onde:

L = comprimento dos tubos.

d = dimetro externo dos tubos.

NP = nmero de passes no tubo.

NT = nmero total de tubos.

110

Exemplo:

Ex.1)

Ex.2)

111

c) Determinao da vazo mssica dos fluidos( m ):

vAm oL

Onde:

Ao = rea interna do tubo = 4

d2i

L = massa especfica do lquido a temperatura de trabalho em g/mL.

v = velocidade de escoamento em m / s.

d) O calor total transferido num trocador de calor definido pela equao baixo:

mT T.FAUQ

Onde:

Q taxa de calor transferido no trocador de calor em Btu/ h ou Kw.

U = coeficiente global de transferncia de calor.

AT = rea total de troca de calor em cm2 ou m2 .

F = fator de correo.

Tm = diferena mdia logartmica de temperatura em C.

e) A diferena mdia logartmica de um trocador de calor de corrente paralela e contra-

corrente determinadao abaixo:

e.1 De corrente paralela:

112

e.2 De contra corrente ou corrente oposta:

Nota:

O exerccio proposto abaixo, permitir apresentar uma metodologia para dimensionar

um trocador calor, a partir de alguns parmetros j definidos.

Exerccio: Uma vazo de 3,783 kg / s de gua aquecida de 37,78 C a 54,44 C num trocador de calor de tubo e carcaa. No lado da carcaa utilizado um passe com uma vazo

de 1,892 kg/s de gua de aquecimento, entrando a 93,33 C. O coeficiente global de

transferncia de calor 1419 W / (m2 . C) e a velocidade mdia da nos tubos de 3/4 pol(1,905 cm) de dimetro interno 0,366 m / s. Devido as limitaes de espao, o comprimento do tubo

no dever ser maior que 2,438 m. Calcule o nmero de passes nos tubos, o nmero de tubos

por passe e o comprimento dos tubos, consistente com esta restrio.

Soluo

113

- Condio Inicial : Admitiremos inicialmente um passe nos tubos, verificando se

satisfaz s condies do problema.

- Dados :

cf = calor especfico da gua fria = 4,1869 kJ / (kg . C)

cq = calor especfico da gua quente = 4,1869 kJ / (kg . C)

Tfe = temperatura do fluido frio(gua) na entrada = 37,38 C

Tfs = temperatura do fluido frio(gua) na sada = 54,44 C

Tqe = temperatura do fluido quente na entrada = 93,33 C Tqs = temperatura do fluido quente na sada = ?

fm vazo mssica de fluido frio(gua) = 3,783 kg / s

qm vazo mssica do fluido quente(gua) = 1,892 kg / s

vf = velocidade do fluido frio = 0,366 m / s

U = coeficiente global de transferncia de calor = 1419 W / m2 . C. d = dimetro interno dos tubos do trocador de calor

A = seo interna de cada tubo = ?

ATe = rea total de escoamento = n . A = ?

AT = rea total de troca de calor = ?

(i) Clculo da taxa de calor transferido para o fluido frio:

)TT(cmQ fefsff (3,783).(4182).(54,44 37,38) = 263,6 kW

(ii) Determinao da temperatura do fluido quente na sada do trocador(Tqs):

)TT(cmTTcmQ fsfeffqsqeqq

onde:

qq

qsqecm

6,263TT

6033,331869,4892,1

6,263T

cm

6,263T qe

qq

qs

C

(iii) Determinao da diferena mdia logartmica de temperatura:

8,20

)22,22

89,38ln(

22,2289,38

)T

Tln(

TTT

b

a

bam

C

114

(iv) Determinar a rea total de troca de calor (AT), considerando apenas um passe nos

tubos:

25

m

T m2

maq-term-01 29 02 12

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