DENDEZEIROS

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

DENDEZEIROS

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Salvador 2005

Copyright ����2005 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados Área Tecnológica: Alimentos Elaboração: Juan Martin Carrizo Revisão Técnica: Eliane Maria Ferrarezzo Revisão Pedagógica: Raimundo Araújo de Jesus Normalização: Núcleo de Informação Tecnológica- NIT

Catalogação na fonte (NIT – Núcleo de Informação Tecnológica) ______________________________________________________ SENAI – DR BA.Operações Unitárias. Salvador, 2005. 89 f. il. (Rev.00). 1. Mecânica dos Fluidos 2. Indústria- Alimentos 3. Refrigeração I. Título

CDD 619.45 _______________________________________________________ SENAI DENDEZEIROS Av. Dendezeiros do Bonfim - 99 CEP: 40415-006 Tel.: (0xx71) 3310-9962 Fax.: (0xx71) 3314-9661 www.senaidendezeiros.org.br

SUMÁRIO

APRESENTAÇÃO

1 CONCEITOS INTRODUTÓRIOS E DEFINIÇÕES 5

2 INTRODUÇÃO AOS CÁLCULOS COM UNIDADES 9

3 MECÂNICA DOS FLUIDOS 18

4 TRANSFERÊNCIAS E BALANÇOS 28

5 INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 37

6 REFRIGERAÇÃO 41

7 TABELAS E DIAGRAMAS 80

REFFERÊNCIAS 88

APRESENTAÇÃO

Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contínua do padrão de qualidade

e produtividade da indústria, o SENAI BA desenvolve programas de educação

profissional e superior, além de prestar serviços técnico e tecnológicos. Essas

atividades, com conteúdos tecnológicos, são direcionadas para indústrias nos

diversos segmentos, através de programas de educação profissional, consultorias e

informação tecnológica, para profissionais da área industrial ou para pessoas que

desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho.

Este material didático foi preparado para funcionar como instrumento de consulta.

Possui informações que são aplicáveis de forma prática no dia-a-dia do profissional,

e apresenta uma linguagem simples e de fácil assimilação. É um meio que

possibilita, de forma eficiente, o aperfeiçoamento do aluno através do estudo do

conteúdo apresentado no módulo.

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1 – CONCEITOS INTRODUTÓRIOS E DEFINIÇÕES 1.1. Definições básicas Processos Industriais: seqüência de transformações físicas e/ou químicas e/ou bioquímicas que uma determinada matéria-prima (MP) sofre na sua conversão a produto. Exemplo: fabricação de óleo vegetal (física); suco de laranja concentrado congelado (física); produção de etanol (física/bioquímica). Operações Unitárias: menor subdivisão de um processo industrial em termos de modificação física. Exemplo: filtração e extração por solvente (fabricação de óleo); adsorção em colunas de resinas de troca iônica (produção de suco de laranja); decantação e destilação (produção de etanol). Reatores químicos e bioquímicos: não devem ser consideradas operações unitárias, pois existem disciplinas específicas para cuidar desta matéria. Exemplo: fermentação (etanol). Fenômenos de Transporte: dentro de um equipamento que executa uma operação unitária ou um reator ocorrem vários fenômenos de transferência de uma propriedade (calor, quantidade de movimento, massa em sistemas multicomponentes). Mecanismos de Transferência: modo pelo qual se observa o transporte de uma dada propriedade. Em um dado problema podem ocorrer um ou vários mecanismos de transferência simultaneamente. Exemplo: transporte molecular (escoamento laminar/condução de calor/ difusão de massa); transporte turbilhonar (escoamento turbulento/convecção de calor e massa). Modelo: idealização física/matemática de um dado problema. Busca representar com exatidão os mecanismos de transferência observados. Quanto mais completo o modelo físico, mais complexa a solução matemática. Eventualmente podem ser tentadas soluções numéricas. Equações de Balanços e Constitutivas: alguns problemas podem ser equacionados de forma geral, o que fornece as equações gerais de balanço. Quando estas equações forem aplicadas a situações específicas, são necessárias informações acerca daquela situação, as equações constitutivas. Exemplo: equações de balanços integrais e diferenciais de energia (gerais) / lei de Fourier da condução de calor (constitutiva). Equilíbrio: situação ideal que todo sistema procura, de gasto mínimo de energia e de estabilidade, na qual não há nenhuma diferença de potencial de qualquer grandeza que possa provocar uma alteração. Todos os fenômenos de transferência só ocorrem porque os sistemas estão fora do equilíbrio. Ou seja, estes fenômenos atuam no sentido de alcançar o equilíbrio. Fluido: substância que se deforma continuamente quando sujeita a uma tensão cisalhante constante. Difere do sólido, pois este tem uma tensão de ruptura. Fluidos dividem-se em gases e líquidos. Meio Contínuo: aquele para o qual são observados apenas efeitos globais de determinadas propriedades, desprezando-se interações elementares entre átomos e moléculas. Campo: região do espaço em que está sendo feita uma determinada análise. Divide-se entre campos escalares (temperatura, pressão); vetoriais (velocidade, calor) e tensoriais (tensões).

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1.2. Definições específicas Propriedade extensiva: tem o mesmo valor em qualquer ponto do sistema, dependendo da massa nele contida. Propriedade intensiva: pode assumir vários valores dentro do sistema. Taxa de transferência (rate/flow rate): quantidade de uma grandeza que escoa por unidade de tempo. Fluxo (flux): é um vetor que representa a taxa de escoamento de uma propriedade que atravessa uma determinada área em um dado sentido. Gradiente de uma propriedade: Fisicamente representa o movimento de uma grandeza em uma dada direção, com um determinado sentido e intensidade. Regimes permanente e transiente: quando uma grandeza varia com o tempo de análise, diz-se que o regime de análise é transiente e quando não varia diz-se que é permanente. 1.3 MÉTODOS DE ANÁLISE Sistema: quando a análise é feita sobre a massa que está sofrendo transformação. Volume de controle: em vez da massa, uma determinada região do espaço é focalizada na análise. Superfície de controle: fronteira, real ou imaginária, fixa ou móvel que limita o volume de controle. Balanço ou equações de variação: soma de todas as contribuições (positivas e negativas) que compõem o transporte de uma dada grandeza. [ENTRA] + [GERADO] = [SAI] + [ACUMULA] Método integral ou global: quando a análise é feita sobre efeitos macroscópicos de uma dada grandeza. É mais simples de ser aplicado, mas é incompleto. Método diferencial: a análise é feita sobre a menor região do sistema/volume de controle que ainda seja representativa do todo. São regiões infinitesimais que focalizam particularidades de uma dada grandeza. Assim, é mais detalhado e, conseqüentemente, mais difícil de ser resolvido. Física Temperatura (T): definir temperatura ou até mesmo escala de temperatura não é tarefa das mais simples. A maneira mais prática de se medir a temperatura é usando um termômetro de mercúrio em vidro. No entanto, outros líquidos poderiam ser utilizados: álcool, água, etc. Existem 4 escalas diferentes de temperaturas sendo utilizadas: Celsius (ou centígrados), fahrenheit, kelvin e rankine. Pressão (p, P): definida como a força normal exercida por unidade de área da superfície. Sua unidade no SI é [N/m2], também chamada de pascal. Pressões podem ser medidas por

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dispositivos chamados manômetros. As pressões podem ser manométricas ou absolutas (quando acrescidas da pressão barométrica) Trabalho (W): quando temos uma força atuando ao longo de uma determinada distância, temos um trabalho sendo realizado. Estado: condição de um sistema conforme descrito pelas suas propriedades. Normalmente existem relações entre essas propriedades. Sendo assim, fornecer apenas um subconjunto de propriedades já é o suficiente para determinar um estado. As demais propriedades podem ser encontradas a partir das que foram fornecidas. Fase: quantidade de matéria homogênea como um todo em composição química e em estrutura física. Se você diz que uma substância é homogênea em estrutura física, isso quer dizer que ela é toda sólida, toda líquida ou toda vapor. Sistema: considera-se tudo aquilo que desejamos estudar, isto é, nosso foco de análise. Tanto pode ser algo bem simples, como um corpo livre, assim como pode ser algo mais complexo, uma refinaria completa, por exemplo. Aberto: pode ocorrer transferência de massa e de energia por suas fronteiras. Fechado: neste tipo de sistema não pode haver transferência de massa através de suas fronteiras. Isolado: tipo particular de sistema fechado, é caracterizado pela não ocorrência de troca de massa e energia. Por exemplo, podemos citar a garrafa térmica. Vizinhança: tudo o que se encontra externo ao sistema é a vizinhança. Fronteira: é o que diferencia, ou separa, o sistema da vizinhança. Pode ser fixa ou móvel. Volume de controle: é uma região no espaço onde há escoamento de matéria. Pode haver transporte de massa e de energia. Superfície de controle: é a fronteira de um volume de controle. Massa específica (ρρρρ): relação entre a massa e unidade de volume. Caracteriza a massa de um sistema fluido. Os fluidos costumam apresentar massas específicas bem distintas entre si. Normalmente, variações de pressão e temperatura não afetam sensivelmente a massa específica de líquidos. Por outro lado, os gases sofrem forte influência na massa específica quando pressão e temperatura variam. Sua unidade SI é [kg/m3]. Volume específico (v): é o volume ocupado por unidade de massa. Portanto, é o inverso da massa específica, v = 1/ρ. O volume específico é uma propriedade muito utilizada em termodinâmica, tendo unidade SI [m3/kg]. Peso específico (γγγγ): assim como no caso da massa específica, o peso específico é definido como peso por unidade de volume. E, assim, sendo, ρ e γ se relacionam através de, sendo g a aceleração da gravidade local. Unidade SI de γ é [N/m3].

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Temperatura

(ºC)

Massa específica ρ (kg/m3)

Viscosidade dinâmica µ (N.s/m2)

Tensão superficial σ (N/m)

Pressão de vapor pv (N/m2 – abs)

Compressibi- lidade Ev (N/m2)

Tetracloreto de carbono

20 1590 9,58 E-4 2,69 E-2 1,3 E+4 1,31 E+9

Álcool etílico 20 789 1,19 E-3 2,28 E-2 5,9 E+3 1,06 E+9 Gasolina 15,6 680 3,1 E-4 2,2 E-2 5,5 E+4 1,3 E+9 Glicerina 20 1260 1,50 E+0 6,33 E-2 1,4 E-2 4,52 E+9 Mercúrio 20 13600 1,57 E-3 4,66 E-1 1,6 E-1 2,85 E+9 Óleo SAE 30 15,6 912 3,8 E-1 3,6 E-2 - 1,5 E+9 Água do mar 15,6 1030 1,20 E-3 7,34 E-2 1,77 E+3 2,34 E+9 Água 15,6 999 1,12 E-3 7,34 E-2 1,77 E+3 2,15 E+9 Tabela 1: valores de massa específica e viscosidade para algumas substâncias. Densidade (SG): designada como SG (specific gravity), é a razão entre a massa específica da substância que estamos estudando e a massa específica da água numa temperatura de

referência, 4ºC. A essa temperatura, a água apresenta ρ = 1000 kg/m3. Assim, COH

SGº4@2

ρρ= .

Qual a unidade de SG? 2 – INTRODUÇÃO AOS CÁLCULOS COM UNIDADES Em algum ponto de sua vida, você já se deparou com a infelicidade de não conseguir resolver um determinado problema? Ou de chegar a resultados que não eram os esperados? Se a resposta é sim, muito provavelmente isso ocorreu devido à dificuldade ou à inexperiência em lidar com unidades. Isso quer dizer, então, que você deve começar a dispensar uma atenção bem maior às unidades e dimensões. Usar corretamente as dimensões quando estiver resolvendo problemas é logicamente sensato. Além disso, é um guia durante toda a análise, desde os dados disponíveis até a solução final. Mas, afinal, o que são unidades e dimensões? Dimensões são conceitos básicos de medida como comprimento, tempo, massa, temperatura. Unidades são os meios de se expressar as dimensões. Por exemplo: comprimento pode ser expresso em pés ou centímetros; tempo, em horas ou segundos. Vantagens dos usos de unidades:

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• Evita a possibilidade de que, por descuido, ocorra uma inversão nos cálculos • Redução de cálculos intermediários • Economia de tempo para resolver problemas • Abordagem lógica do problema, em vez de inserir números em fórmulas memorizadas • Fácil interpretação do significado físico dos números

SISTEMAS UNITÁRIOS: ANÁLISE DIMENSIONAL E SIMILARIDADES 1. Magnitude e sistemas unitários O valor de qualquer magnitude física é expressa como o produto de dois fatores: o valor da unidade e o número de unidades. As propriedades físicas de um sistema estão relacionadas com uma série de leis mecânicas e físicas. Algumas magnitudes podem ser consideradas fundamentais e outras derivadas. Magnitudes fundamentais variam de um sistema para outro. Geralmente, tempo e comprimento são tidos como fundamentais. O sistema de unidades necessita uma terceira magnitude fundamental, que pode ser a massa ou força. Aqueles sistemas que apresentam a massa como a terceira magnitude fundamental são conhecidos como sistemas de unidade absoluta, enquanto aqueles que tem a força como unidade fundamental são chamados sistemas de unidade técnicos. Existem também sistemas unitários usados na engenharia que consideram comprimento, tempo, massa, e força como magnitudes fundamentais. 1.1. Sistemas de Unidade Absoluto Existem três sistemas de unidade absoluto: o C.G.S. (CGS), o Giorgi (MKS), e o inglês (FPS). De todos estes, as magnitudes fundamentais são comprimento, massa, e tempo. As diferentes unidades destes três sistemas são apresentados na Tabela 2. Nestes sistemas, força é uma unidade derivada das três unidades fundamentais. As unidades de força e energia são detalhadas na Tabela 3. Quando as magnitudes de calor são usadas, é conveniente definir a unidade de temperatura. Para os sistemas CGS e MKS, a unidade de temperatura é definida em graus centígrados (ºC), enquanto que para o sistema Inglês é definido em graus Fahrenheit (ºF). Unidades de calor são definidos independentemente do sistema de unidades.

Tabela 2.

Tabela 3.

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Tabela 4. 1.2 Sistemas de Unidades Técnicos Entre os mais usados sistemas técnicos estão o métrico e o Inglês. Em ambos, as magnitudes fundamentais são comprimento, força, e tempo. Com relação à temperatura, o unidade do sistema métrico é o grau centígrado, e no sistema Inglês é o Fahrenheit. A Tabela 4 mostra as unidades fundamentais dos sistemas métrico e Inglês. 1.3 Sistemas de Unidades de Engenharia Até agora, somente sistemas que consideram apenas três magnitudes como fundamentais foram descritos. Entretanto, em sistemas de engenharia, quatro magnitudes são consideradas básicas: comprimento, tempo, massa, e força. A Tabela 5 apresenta as diferentes unidades para os sistemas de engenharia métrico e Inglês.

Tabela 5. Quando se define massa e força como fundamentais, uma incongruência pode aparecer, visto que estas magnitudes estão relacionadas com princípios de dinâmica básica. Para se evitar esta incompatibilidade, uma correção ou fator de proporcionalidade (gc) deve ser inserido. A equação deste princípio poderia ser: gc x Força = Massa x Aceleração Observe que gc tem unidades de massa (aceleração/força). O valor deste fator de correção em sistemas de engenharia é: Sistema Métrico:

22 ..

81,9))(log(

))(log(81,9

skgmkg

segundosramaforçaquimetrosramaqui

gc ==

Sistema Inglês:

22 ..

17,32))((

))((17,32

slbfftlbm

segundoslbforçapéslbmassa

gc ==

1.4 Sistema internacional de unidades (SI)

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Foi muito conveniente se unificar o uso dos sistemas de unidades quando os países Anglo-Saxãos incorporaram o sistema métrico decimal. Com este propósito, o MKS foi adotado como o sistema internacional e denominado como SI. Embora a obrigatoriedade do sistema seja reconhecida, outros sistemas ainda são utilizados, entretanto, atualmente muitos jornais de engenharia e livros são editados somente em SI, tornando este sistema o mais recomendável. A Tabela 6 Apresenta as unidades fundamentais deste sistema com algumas unidades suplementares e derivadas.

Tabela 6. Às vezes a magnitude de uma determinada unidade é tão grande para se indicar os múltiplos e submúltiplos das unidades fundamentais. Geralmente é aconselhável usar estes múltiplos e submúltiplos na potência de 103. A seguir (Tabela 7) está a lista dos múltiplos e submúltiplos mais freqüentemente utilizados, assim como seu respectivo nome e símbolo.

Tabela 7. É interessante que, em muitos problemas, a concentração é expressa por unidades molares. A unidade molar freqüentemente utilizada é o mol, definida como a quantidade de substância na qual a massa em gramas é numericamente igual ao seu peso molecular. 1.5 Unidades Térmicas Calor é uma forma de energia; deste modo, a dimensão de ambos é ML2T-2. Entretanto, em

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alguns sistemas a temperatura é tida como uma dimensão. Nestes casos, a energia do calor pode ser expressa como proporcional ao produto da massa com a temperatura. A constante de proporcionalidade é o calor específico, que depende do material e varia de um para outro. A quantidade de calor é definida como uma função do material, com água como uma referência e o calor específico é a unidade. Calor = Massa x Calor específico x Temperatura A unidade de calor específico depende do sistema de unidades a ser adotado. Assim: Sistema Métrico Caloria: calor necessário para aumentar a temperatura de um grama de água de 14,5 a 15,5ºC Sistema Inglês BTU (British thermal unit): quantidade de calor necessária para se elevar a temperatura de uma libra de água um grau Fahrenheit (de 60 para 61ºF) CHU (Centigrade heat unit or pound calorie): quantidade de calor necessária para se elevar a temperatura de uma libra de água um grau centígrado Sistema Internacional Caloria: visto que calor é uma forma de energia, sua unidade é o Joule. A caloria pode ser definida como uma função do Joule: 1 caloria = 4,185 Joules Visto que calor e trabalho são duas formas de energia, é necessário definir um fator que as relaciona. Por esta razão, o equivalente mecânico de calor (Q) é definido como: Q x energia de calor = Energia Mecânica Assim:

1222

−−−

=== θθ

TLM

LMLTalorenergiadecânicaenergiamec

Q

1.6 Conversão de Unidades A conversão de unidades de um sistema para outro é feita facilmente se as quantidades são expressas como uma função das unidades fundamentais de massa, comprimento, tempo e temperatura. A conversão de fatores são usados para converter diferentes unidades. O fator de conversão é o número de unidades de um certo sistema contido em uma unidade de magnitude correspondente em outro sistema. Os fatores de conversão mais comuns para as diferentes magnitudes são apresentados na Tabela 8. Ao se converter unidades, é necessário distinguir os casos nos quais somente os valores numéricos são convertidos daqueles em que a fórmula pode ser convertida. Quando é necessário converter valores numéricos de uma unidade para outra, as equivalências entre elas, o fator de conversão é usado diretamente. Para melhorar a compreensão e facilitar o acompanhamento dos cálculos, será adotada para os cálculos a mesma metodologia utilizada por Himmelblau em Engenharia Química: Princípios e Cálculos. Tal método se baseia na multiplicação de qualquer número e suas unidades

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associadas por razões adimensionais, denominadas fatores de conversão, originando a resposta desejada com suas respectivas unidades.

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Tabela 8. Nos casos de conversão de unidades de uma fórmula, a constante que aparece na fórmula geralmente tem dimensões. Para aplicar a fórmula nas diferentes unidades daquelas que foram dadas, somente a constante das fórmulas deverão ser convertidas. Nos casos em que a constante é adimensional, a fórmula pode ser diretamente aplicada usando qualquer sistema de unidades.

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Operações com unidades Quanto é laranja mais banana mais melancia mais maçã mais ...? R.:_______________________________ Para realizar operações com grandezas numéricas é necessário: Soma, subtração, igualar: as unidades devem ser as mesmas Ex.: 3 horas + 2 quilômetros 10 libras + 5 gramas Multiplicação e divisão: não há cancelamento ou fusão de unidades a menos que sejam idênticas. Preste atenção, porque as unidades fornecem um montante significativo de informações que não podem ser ignoradas.

Tabela 9: unidades no SI.

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Tabela 10: unidades no Sistema Inglês. Exemplo: você acaba de assistir a um filme ambientado nos Estados Unidos e se lembra que a velocidade que o veículo do mocinho desenvolvia durante a perseguição ao bandido era de 80 milhas/hora (80 mi/h ou 80 miles an hour ou 80 miles/hour). Que velocidade seria essa no sistema de unidades utilizado no Brasil? (Dado: 1 milha = 1609 m) Resolução: 80 milhas 1609 m 1 km 128,72 km hora 1 milha 1000 m hora Normalmente, são utilizadas tabelas para auxiliar na conversão de unidades. Tais tabelas podem ser encontradas em livros de física, química, engenharia, entre outros. No entanto, não convém ficar sempre preso às tabelas. Por quê? Muito simples, ou você tem suas mãos, olhos e mente sempre atentos ao seu trabalho, ou você ocupa suas mãos para carregar tabelas e mais tabelas, um olho na tabela e o outro no seu trabalho, e a mente igualmente dividida. As principais unidades e conversões devem ficar sempre na sua mente, na ponta da língua, e a postos para serem utilizadas sempre que necessários. Quais são as principais? Isso vai depender do seu trabalho, da finalidade dos cálculos envolvidos, dos equipamentos e padrões utilizados, etc. 3 - MECÂNICA DOS FLUIDOS A mecânica dos fluidos é a parte da mecânica aplicada que se dedica à análise do comportamento dos líquidos e gases, tanto em equilíbrio quanto em movimento. Neste campo podemos estudar desde o escoamento do sangue nos capilares (com diâmetros da ordem de poucos mícrons) até o escoamento do petróleo em algum oleoduto (o do Alaska apresenta diâmetro de 1,20 m e comprimento aproximado de 1300 km). Os princípios envolvidos nesta área de estudo são necessários para, por exemplo, explicar porque o vôo de aviões com formato aerodinâmico e de superfícies lisas se apresenta mais eficiente. Outro caso interessante diz respeito à superfície das bolas de golfe, que são rugosas, em vez de lisas.

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Porém, antes de mais nada, o que vem a ser um fluido? Tanto se falou e se fala em fluido. Você saberia definir fluido? Ou, quais as diferenças entre um fluido e um sólido? Viscosidade: esta propriedade descreve a fluidez das substâncias. Vimos anteriormente que um fluido pode ser caracterizado por sua massa específica e por seu peso específico. No entanto, apenas essas duas propriedades não são suficientes para caracterizar o escoamento de um fluido. Água e óleo podem apresentar massas específicas semelhantes, mas quando escoam podem apresentar comportamentos bem diferentes. A viscosidade pode ser dada em µ, viscosidade dinâmica, ou ν, viscosidade cinemática. Elas se relacionam por ν = µ/ρ. Tipos de fluido: basicamente podem ser divididos em ideal e real. • Fluido ideal: são características deste tipo de fluido:

o Pressão e velocidade, em um ponto qualquer da corrente fluida, não variam com o tempo. Logicamente, velocidade e pressão podem variar de um ponto a outro, mas são constantes em cada ponto, a qualquer tempo.

o Viscosidade é nula, isto é, as partículas deslizam umas sobre as outras, sem resistência tangencial

o Pressão atua na direção normal à superfície o Nenhum trabalho é requerido para que seja modificada a forma do fluido ideal

• Fluido real: é o tipo de fluido com o qual você vai se deparar, e já vem se deparando, no seu dia-a-dia.

Normalmente, o deslocamento das partículas segue trajetórias curvilíneas e irregulares, entrecruzando-se de tal modo que se torna impossível identificá-las (no caso de um escoamento turbulento). Existe viscosidade e não pode, nem deve, ser desprezada. Tipos de escoamento: podem ser divididos em laminar e turbulento. Alguns autores ainda utilizam uma terceira classe, a de transição. • Escoamento laminar: as partículas do fluido em escoamento laminar percorrem trajetórias

paralelas, como se fossem lâminas deslizando paralelamente, umas sobre as outras. • Escoamento turbulento: neste caso, as trajetórias de partículas se encontram curvilíneas e

irregulares. Também há trajetórias erráticas, a esmo, que não podem ser traçadas. Em cada ponto da corrente de escoamento, há variação de velocidade em módulo, direção e sentido.

• Escoamento permanente (regime permanente de escoamento): a velocidade e a pressão em determinado ponto não variam com o tempo. No entanto, podem variar de um ponto a outro.

Reologia na indústria alimentícia Qualidade pode ser conceituada como um conjunto de características que diferenciam unidades individuais de um produto e que são significativas para a determinação de seu grau de aceitação pelo consumidor. A qualidade pode ser subdividida em três categorias principais: quantitativa, não aparente e sensorial. Viscosidade e consistência podem ser percebidas pela aparência e pelo sentido cinestésico, e os defeitos, pela aparência e pelo sabor.

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As características reológicas são percebidas principalmente pelos órgãos do tato e, em pequena extensão, pelo da visão. Relacionam-se ao fluxo e deformação da matéria e suas inter-relações com o fator tempo. O que é? Por que preciso medir? Em linhas gerais, reologia é a ciência que estuda a deformação e o escoamento da matéria. O termo foi introduzido por Eugene Cook Bingham a partir de suas publicações da década de vinte. A preocupação com o aspecto de fluência da matéria remonta um passado distante e os anais da história da reologia registram como conceito primordial a observação de ser um material mais espesso do que outro, e assim mais resistente à fluência do que outro, porém que: tudo flui. A definição de reologia acima permitiria considerar todos os materiais com capacidade de deformação ou escoamento, mas tanto os sólidos hookeanos como os fluidos newtonianos (de características constitutivas que se representam matematicamente como lineares) não são considerados como fazendo parte dos interesses da Reologia; somente materiais que exibam comportamentos entre esses dois extremos. Assim, materiais com comportamentos de sólidos não hookeanos e fluidos não newtonianos têm privilégio das atenções da Reologia. Viscosidade Medida da resistência interna ou fricção interna de uma substância ao fluxo quando submetida a uma tensão. Esta propriedade é medida por um coeficiente que depende do atrito interno em conseqüência à coesão das partículas de seus componentes.Quanto mais viscosa a massa, mais difícil de fluir e maior o seu coeficiente de viscosidade.A viscosidade é uma propriedade reológica que caracteriza unicamente os fluidos newtonianos. Os demais fluidos apresentam viscosidade aparente.

FIGURA 1: efeito da viscosidade de um fluido sobre uma haste metálica

Plasticidade Propriedade de um corpo mudar de forma ao ser tensionado em contraposição às propriedade de elasticidade e de rigidez. As argilas, importantes componentes do solo, são plásticas, ou seja, deformam-se facilmente, propriedade que é acentuada com o aumento da quantidade de água intersticial às partículas. Tensão Esforço (força por unidade de área expresso em quilobária, por exemplo) aplicado em uma massa sólida e que se propaga para o interior dessa massa tendendo a mudar a forma ou o volume dessa massa, deformando-a.

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Ao esforço aplicado contrapõe-se a rigidez ou resistência própria do material dentro das condições termodinâmicas em jogo. Distinguem-se: tensão normal e tensão cisalhante. A tensão normal atua perpendicularmente à superfície, como compressão ou como extensão e tende a modificar o volume do corpo tencionado. A tensão cisalhante atua paralelamente à superfície e tende a modificar a forma do corpo tencionado. A viscosidade é a propriedade reológica mais conhecida, e a única que caracteriza os fluidos newtonianos. • sólidos (deformação): são capazes de manter um tamanho e forma definidos e resistir (até

um determinado limite) a forças que tendem a deformá-los. Ex.: queijo parmesão • líquidos (escoamento): são incapazes de resistir a uma força de cisalhamento, fluem

instantaneamente e assumem a forma de seu recipiente. Ex.: suco de fruta Medir ou predizer as propriedades reológicas é necessário nas seguintes situações: • cálculos de engenharia de processos que envolvem grande quantidade de equipamentos,

tais como tubulações, bombas, extrusores, agitadores, trocadores de calor, homogeneizadores e viscosímetros em linha

• determinação da funcionalidade de ingredientes no desenvolvimento de processos • controle de qualidade de produto intermediário ou final • verificação de vida de prateleira • avaliação da textura através da correlação com dados sensoriais Logo, a percepção sensorial da textura depende principalmente da deformação resultante da aplicação de pressão e/ou das propriedades de superfície, tais como rugosidade, suavidade ou adesividade, avaliadas pelo sentido do tato. Reologicamente falando, fluidos podem ser divididos em newtonianos e não-newtonianos: Fluidos newtonianos: obedecem a Lei de Newton da Viscosidade. Todos os gases, bem como a maior parte dos líquidos de importância na engenharia, são fluidos newtonianos. Fluidos não-newtonianos: são os fluidos que não seguem a lei de newton para a viscosidade. Neste grupo podemos incluir sangue, piche, melaço, borracha fundida, massas de um modo geral, suspensões, polímeros de alto peso molecular.

Fluido Exemplo Modelo

Ideal Gases refrigerantes

Newtoniano Água, vinho, cerveja γµτ �.=

Newton

Viscoplástico Catchup, polpa de morango γµττ �.0 B+=

Bingham

Pseudoplástico Soluções poliméricas nk γτ �.=

Ostwald-deWaele

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Dilatante Mingau n<1-pseudo; n>1-dilat.

Pseudoplástico com tensão inicial

Suco concentrado congelado de laranja

nHk γττ �.0 +=

Herschel & Bulkley

Dilatante com tensão inicial Soro concentrado de purê de tomate

TABELA 11: tipos de fluidos, exemplos, e seus modelos matemáticos Os fluidos não-newtonianos, por sua vez, são divididos em:

Sem tensão de cisalhamento inicial

Pseudoplásticos dilatantes

Independentes do tempo

Com tensão de cisalhamento inicial

Plásticos de Bingham e outros

Reopéticos

Dependentes do tempo

Tixotrópicos

Viscoelásticos

TABELA 12: divisão dos fluidos não-newtonianos

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FIGURA 2: comportamento dos fluidos reopético e tixotrópico com o decorrer do tempo

FIGURA 3: diagrama tensão de cisalhamento (shear stress, τ ) x taxa de deformação (shear rate, γ� ) 1. Viscoelásticos – apresentam comportamento elástico e viscoso 2. Bingham – Comporta-se como sólido sob condições estáticas. Uma determinada quantidade

de força tem que ser aplicada ao fluido para induzir o fluxo. 3. Pseudo-plástico – inicialmente resiste à deformação até uma força máxima ser alcançada.

Quando essa determinada força é alcançada inicia-se a deformação. 4. Newtonianos – Grau de deformação é proporcional à força aplicada. 5. Dilatantes – material resiste à deformação mais que a proporção de força aplicada. Se

aumentar a força aplicada (agitação) mais resistência o material oferece à agitação. Equipamentos Basicamente, os equipamentos utilizados para avaliação das propriedades reológicas são os viscosímetros e os reômetros. O primeiro é utilizado para medir a viscosidade (fluidos newtonianos) ou a viscosidade aparente (fluidos não-newtonianos). O segundo aparelho é usado para medir parâmetros como k (índice de consistência) e n (comportamento do fluido), como, por exemplo, o fluido Lei de Potência. São vários os tipos de reômetros utilizados, que podem ser capilares, cilindro-coaxiais, prato-cônicos, rolling-ball, etc, que são utilizados dependendo da área, do produto e das características reológicas a serem medidas. Viscosímetro mede o torque necessário para agitar um eixo com vários tamanhos e formas.

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O que se determina A reometria pode ser utilizada para se determinar: - massa molar de polímeros; - efeitos de aditivos; - concentração de soluções; - tamanho, forma, hidratação de micelas - checar qualidade química, mecânica, térmica de produtos após tratamentos ou processamento; - monitorar e controlar processos; - acompanhar reações de cura; - e uma infinidade de outras aplicações. Lembrando que como qualquer outra técnica analítica, a reometria não deve ser utilizada isoladamente, mas sim sempre acompanhada de outras técnicas analíticas para análise dos resultados obtidos. Fatores que podem interferir nos resultados - temperatura; - concentração; - massa molar e distribuição de massa molar; - estrutura química, - pH; - regime de cisalhamento; - tempo de cisalhamento; - presença de sais na solução; - pressão; - qualidade do solvente;

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- e outros... Devido a todos esses fatores, é muito difícil prever o comportamento dos materiais e suas respectivas soluções. Reômetros utilizados Fatores na escolha:

Material a ser ensaiado: Fluido: newtoniano, não-newtoniano (puramente viscoso; viscoelástico) Sólido Semi-sólido

Propriedade a ser medida Viscosa Elástica Viscoelástica

Finalidade da medição Pesquisa específica Controle de qualidade Parâmetro de projeto

Classificação de reômetros

Tubulares: �H: capilares (Ostwald; Casson-Feniske); tubo plástico �P: gás; pistão

Em queda livre: Esfera descendente Prego descendente

Rotacionais: Cilindros Cone e placa Placas paralelas Cilindro girando em meio infinito (Brookfield)

Reômetros recomendados

Newtonianos Tubulares: capilar; plástico Rotacionais Queda livre

Não-newtonianos (puramente viscosos) Rotacionais: cilindros concêntricos; cone e placa; placas paralelas Tubulares: capilar Corpos em queda livre: esfera descendente; prego descendente

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Não-newtonianos (viscoelásticos) Reômetros rotacionais: cilindros concêntricos (modificado); cone e placa (normal e modificado)

FIGURA 4: esquema de um viscosímetro analógico

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FIGURA 5: tabela para comparação de diferentes medidas de viscosidade

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FIGURA 6: modelo de ficha técnica de dados de viscosidade

FIGURA 7: modelo de tabela para relatório de ensaios de viscosidade 4 – TRANSFERÊNCIAS E BALANÇOS 1. Mecanismos de transferência de calor Da termodinâmica, vemos que energia pode ser transferida através de interações de um sistema com sua vizinhança. Essas interações são conhecidas como sendo calor e trabalho. No entanto, a termodinâmica lida apenas com os estados inicial e final de um processo enquanto a interação ocorre, e não fornece nenhuma informação a respeito da natureza dessa interação ou da taxa de tempo em que isso ocorre. Sempre que houver uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, ocorre, necessariamente, transferência de calor. São três os mecanismos, ou modos, de transferência de calor. Quando há um gradiente de temperatura em um meio estacionário, podendo ser sólido ou fluido, temos a condução, para fazer referência à transferência de calor ocorrendo através desse meio. Quando a transferência se dá entre uma superfície e um fluido em movimento em temperaturas diferentes entre eles, temos a convecção. E por último, a radiação térmica se dá devido ao fato de todas as superfícies a uma temperatura finita emitirem energia na forma de ondas eletromagnéticas. Sendo assim, na ausência de um meio interposto entre duas superfícies, a transferência de calor ocorre por radiação.

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Condução A condução é a forma em que ocorre a transferência de energia em escala molecular. Quando as moléculas absorvem energia térmica vibram sem deslocar-se, aumentando a amplitude da vibração conforme aumenta o nível de energia. Esta vibração se transfere de uma molécula a outra, sem que ocorra nenhum movimento de translação. Outra teoria relaciona o mecanismo de transferência por condução com o deslocamento dos elétrons. Elétrons livres costumam existir nos metais, e são eles os responsáveis pelo transporte das energias térmica e elétrica. Por isso, diz-se que bons condutores de eletricidade também o são para a energia térmica. A condução é o método de transmissão de calor mais comum nos processos de aquecimento/resfriamento de materiais sólidos opacos. Ocorrendo um gradiente de temperatura em um corpo, haverá uma transmissão de calor desde a região de temperatura mais elevada até a de temperatura mais baixa. Esse fluxo de calor é proporcional ao gradiente de temperatura:

dxdT

qx ∝" (1)

onde dxdT

kqx −=" (2)

sendo q”x (W/m2) a taxa de transferência de calor por condução na direção x por unidade de área perpendicular à direção de transferência, sendo proporcional ao gradiente de temperatura dxdT , k (constante de proporcionalidade) a condutividade térmica (W/mK) e é característica de cada material. A equação 2 é conhecida como Lei de Fourier da condução. Convecção Quando um fluido circula ao redor de um sólido, se existir uma diferença de temperatura entre eles, ocorre uma transferência de calor entre os dois. Essa transmissão se deve ao mecanismo de convecção. O aquecimento e o resfriamento de gases e líquidos são os exemplos mais comuns de transmissão de calor por convecção. Existem dois tipos de convecção: natural e forçada. A convecção forçada implica no uso de algum meio mecânico (bomba ou ventilador, por exemplo) para provocar o movimento do fluido. Por outro lado, a convecção natural ocorre devido à diferença de densidades provocadas, por sua vez, por diferenças de temperatura. Os dois mecanismos podem provocar um movimento laminar ou turbulento do fluido. A taxa de transferência de calor é expressa mediante a Lei de Newton, que considera o efeito global da convecção: )("

∞−= TThq S (3)

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onde q”, o fluxo de calor convectivo (W/m2), é proporcional à diferença de temperaturas da superfície e do fluido, TS e T�, respectivamente. A constante de proporcionalidade h (W/m2K) é chamada de coeficiente de transferência por convecção, e depende das condições na camada limite, que, por sua vez, são influenciadas pela geometria da superfície, pela natureza do movimento do fluido e por uma série de propriedades termodinâmicas e de transporte do fluido. Radiação A transmissão de calor por radiação ocorre entre superfícies mediante a emissão e posterior absorção de radiação eletromagnética. Diferentemente da condução e da convecção, a radiação não requer nenhum meio para sua propagação e pode ocorrer, inclusive, no vácuo. A energia irradiada (ou emitida) por uma superfície tem sua origem na energia térmica da matéria limitada pela superfície. A taxa de liberação dessa energia por unidade de área (W/m2) é denominada poder emissivo E da superfície, tendo um limite superior, previsto pela lei de Stefan-Boltzmann: 4

Sb TE σ= (4) onde TS é a temperatura absoluta (K) da superfície e � é a constante de Stefan-Boltzmann (� = 5,67 x 10-8 W/m2K4). Tal superfície é chamada de radiador ideal ou corpo negro. No caso de uma superfície real, o fluxo de calor emitido é menor que o emitido por um corpo negro na mesma temperatura, sendo dado por: 4

STE εσ= (5) onde � é uma propriedade radiante da superfície denominada emissividade. Com valores na faixa de 0� � �1, essa propriedade fornece uma medida da capacidade de emissão de energia de uma superfície em relação a um corpo negro, dependendo fortemente da superfície do material em questão e do seu acabamento. 2. Balanço de Massa Já foi visto anteriormente que volume de controle é uma determinada região do espaço, por onde escoa matéria, podendo haver transferência de energia e/ou massa. O tamanho e a forma de um volume de controle são arbitrários e devem ser definidos do modo mais conveniente para a análise. Geralmente as fronteiras de um volume de controle coincidem com as fronteiras dos equipamentos. Em processos complexos, muitas vezes é conveniente definirmos vários volumes de controle. O balanço de massa pode ser expresso como:

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Massa que entra

- Massa que sai

= Massa acumulada

- Massa gerada

Quando se considera massa total, independente da natureza do componente, a massa gerada total no volume de controle será sempre nula. Nesta equação os dois primeiros termos referem -se à somatória das massas que cruzam a superfície de controle, tanto das massas que entram como das que saem. O primeiro membro da equação significa, portanto, a taxa líquida de entrada de massa. O terceiro termo, acúmulo de massa, expressa a variação de massa no interior do volume de controle, em função do tempo. Na verdade, o acúmulo pode ser positivo ou negativo. O quarto termo, geração de massa, reflete os efeitos de qualquer reação química no interior do volume de controle, a qual pode produzir ou consumir massa (visto do ponto de vista de componentes). Nos processos onde não há reação envolvida, o balanço fica:

Massa que entra

- Massa que sai

= Massa acumulada

Para fins deste estudo, podemos expressar o balanço acima em termos de valores médios globais, ou seja:

��

���

�=−�� dtdm

mm se ��

A massa, como outras propriedades das substâncias envolvidas, pode apresentar variações dentro do volume de controle, tanto em relação ao tempo quanto à posição. No caso de termos que realizar um balanço por componentes, vale lembrar que a lei de conservação da massa é válida para a massa total e também para a massa de cada um dos componentes. Assim sendo, teríamos, então, para o seguinte esquema (considerando uma mistura binária):

A.x1A = B.x1B + C.x1C A.x2A = B.x2B + C.x2C x1A + x2A = 1 x1B + x2B = 1 x1C + x2C = 1 Análise do problema / Considerações: Na aplicação do balanço de material num processo, deve-se inicialmente obter todas as informações possíveis, resultando em: • massa ou fluxos de material que entram e saem do sistema. • composição de todas as correntes. • escolha de uma base de cálculo (se necessário), identificando a(s) respectivas(s)

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corrente(s) • o balanço de material básico é feito em massa O sistema contém (t) variáveis e gera um sistema com (T) equações independentes. Para resolver tal sistema necessita-se de (L) variáveis conhecidas para se determinar as outras (T) desconhecidas. Conhecendo-se tecnologicamente um processo, pode-se admitir algumas simplificações. Por exemplo, em evaporadores consideramos que o evaporado é água pura, exceto nos casos em que a análise seja feita em termos de outros voláteis arrastados pelo evaporado (recuperação de aromas); processos em “batelada” podem ser associados com correntes entrando e saindo, como se fossem processos contínuos, sobre os quais se aplica a mesma metodologia. Técnicas de Resolução: • desenhar o processo por meio de diagrama em blocos, representando todo o

processo e correntes, colocando-se símbolos apropriados para as correntes e para as frações mássicas ou molares

• anotar todos os dados disponíveis. • verificar se existem componentes de amarração, isto é, material que passa de

uma corrente para outra sem sofrer qualquer tipo de alteração, ou sem que tenha sido adicionado ou retirado deste componente qualquer material assemelhado

• com todas as informações em mãos, obter o sistema de equações decorrente • checar se o número de equações independentes é igual ao número de variáveis

desconhecidas, para que se possa ter solução única • caso o número de equações seja menor que o número de variáveis

desconhecidas, verificar se há falta de dados ou se pode ser feita alguma consideração, obtendo-se um ou mais dados ao problema

• resolver o sistema de equações O conhecimento das propriedades das substâncias puras e das misturas é de importância fundamental para a análise dos processos de manipulação de alimentos. Dentro dessas propriedades, incluem-se as relações entre pressão, temperatura e volume para as fases sólida, líquida e gasosa. Tais relações foram obtidas após extensa história de observações e análise do comportamento das substâncias e, embora existam muitos dados experimentais, há também a necessidade de se recorrer a correlações empíricas, bem como equações teóricas deduzidas a partir do estabelecimento de modelos. Estas equações empíricas, teóricas e semi teóricas são utilizadas na falta de dados experimentais ou para interpolação ou extrapolação de valores ou ainda para uso em métodos numéricos. 3. Diagrama De Fases De Uma Substância Pura As observações experimentais permitiram à ciência visualizar o comportamento PVT de algumas substâncias puras, notadamente aquelas mais disponíveis, mais importantes e mais “trabalháveis”. Uma destas substâncias é a água. Para melhor visualização, consideremos o diagrama P versus T, na figura abaixo.

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Podemos notar, de início, a existência de quatro regiões: I Região de fase sólida II Região de fase líquida III Região de fase vapor IV Região de fase fluida (fluido supercrítico) Além dessas regiões, temos os limites de separação destas fases, ou seja: a curva de sublimação (sólido-vapor) a curva de solidificação-fusão (sólido-líquido) a curva de vaporização-liquefação (líquido-vapor)

Figura - Diagrama de fases de uma substância pura Quando a substância se encontra na região I, fora das curvas de separação de fases, dizemos que é um sólido comprimido, quando a pressão na temperatura considerada é maior que a pressão na qual ocorre mudança de fase, ou um sólido sub-resfriado, quando a temperatura na pressão considerada, é menor que a

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temperatura de mudança de fase. Analogamente, quando a substância encontra-se em um estado da região II, dizemos que é um líquido comprimido ou líquido sub resfriado. Quando a substância encontra -se na região III, dizemos que é um vapor superaquecido. Na região IV, a substância é considerada um fluido, sem distinção de líquido ou vapor (denominado fluido supercrítico). Aqui a substância possui propriedades acima dos valores críticos. O ponto C é chamado de Ponto Crítico, correspondendo aos valores de temperatura crítica, pressão crítica e volume crítico. Cada substância apresenta um determinado conjunto de valores para as propriedades críticas, as quais, como veremos mais adiante, desempenham importante papel na estimativa do comportamento PVT. O ponto T é chamado Ponto Triplo e, neste, a substância apresenta-se nas três fases. Quando a substância se encontra líquida sobre a linha de vaporização, dizemos que é um líquido saturado e qualquer acréscimo de temperatura ou diminuição de pressão provoca a vaporização. Da mesma forma, quando ela está presente como vapor sobre essa mesma linha, dizemos que se trata de vapor saturado e qualquer diminuição de temperatura ou aumento de pressão provocará a formação da primeira gota de líquido. Neste estado saturado podemos ter a coexistência das duas fases. A curva A-C é chamada de curva de Pressão de vapor, ou curva de pressão de saturação. A uma dada temperatura, tem -se apenas uma pressão na qual ocorre a mudança de fase e vice -versa. A esse conjunto de valores dá-se o nome de pressão de saturação (ou pressão de vapor) e temperatura de saturação (ou temperatura de ebulição). Além dos diagramas PVT, podemos encontrar os valores dessas propriedades em tabelas específicas para cada substância. No entanto, surgem alguns problemas que necessitam de uma solução: • nem sempre é possível a obtenção dos dados em amplo espectro de valores de

pressão e temperatura; é necessária uma (ou mais) extrapolação • nem todas as substâncias permitem uma marcha experimental para a

determinação de suas propriedades, logo, generaliza-se • quando da utilização dos dados experimentais ou estimados, na maior parte das

vezes é inconveniente a utilização de tabelas ou diagramas gráficos; portanto, devem ser usadas equações.

Adiciona-se a isto o enorme esforço da ciência no sentido de encontrar uma regra única, aplicável a todas as substâncias e então surge a questão: Como descrever o comportamento PVT de uma substância? Vamos portanto analisar esta questão, enfocando separadamente a fase gasosa, a curva do vapor saturado, a fase líquida e a fase sólida.

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4. Gases Ideais E Não Ideais O estudo do estado gasoso conduziu ao modelo do gás ideal. Neste modelo as moléculas gasosas ocupam volume desprezível frente ao volume da massa gasosa, sendo nula também a atração mútua. Este modelo, fundamentado nas observações experimentais de Boyle-Mariotte e de Gay-Lussac, apresenta uma equação de estado para a fase gasosa das substâncias, chamada de Lei dos Gases Ideais: PV = nRT onde P, V, n, R e T são respectivamente, a pressão absoluta, volume do gás, quantidade molar, constante dos gases e temperatura absoluta. O valor da constante R depende das unidades utilizadas e pode ser calculada a partir dos dados PVT nas condições padrão: 1 atm e 0ºC (ou unidades correspondentes). A lei de Avogadro fornece o volume molar do gás ideal nas condições padrão, ou seja, v=V/n = 22,4207 m3/kg-mol = 22,4207 L/g-mol = 359,098 pe3/lb-mol. Assim, por exemplo:

( )( )( ) Kmolkg

matmK

molkgmatmTPv

R.

.08208,0

15,2734,221 33

−=−==

O Gás Real A equação PV=nRT tem seu uso limitado às condições que respeitem os limites estabelecidos pelo modelo do gás ideal, ou seja, quando as interações intermoleculares não são significativas ou quando o volume ocupado pelas moléculas seja considerado nulo em relação ao volume total ocupado pela massa gasosa. De uma forma geral, isto significa dizer que os gases reais, quando possuem baixa densidade, podem ter seu comportamento definido pela lei dos gases ideais. Em termos práticos , aplica-se a equação 4.1 sem desvios significativos para gases leves, tais como H2, O2, ar e outros sob condições normais e a vapores e gases pesados a pressões baixas (menos que 20 atm). Assim, se não se dispõe de dados experimentais para a substância e m estudo e se a mesma possuir desvio significativo do gás ideal, tem-se ainda outras formas para se estimar as propriedades PVT a partir de equações de estado. 5. Termodinâmica Os processos de separação e de transformação de alimentos envolvem quase sempre a transferência de energia, notadamente na forma de calor e trabalho. As operações de secagem, aquecimento, resfriamento, congelamento, bombeamento, destilação, concentração, evaporação dentre outras, necessitam para seu estudo de um tratamento termodinâmico, tendo em vista a lei de conservação de energia. A termodinâmica foi inicialmente desenvol vida para lidar com a relação entre calor e trabalho, atualmente, é uma ciência que lida com diversas formas de energia existentes

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• Qual a potência requerida por uma bomba para impulsionar um fluido em uma tubulação?

• Qual o calor necessário para converter certa quantidade de água de 30ºC a vapor a 180ºC ?

• Qual a quantidade de vapor saturado a 8 atm necessária para destilar 2000 kg-mol/h de uma solução etanol-água ?

• Qual a vazão de amônia em um circuito frigorífico para congelar 500 kg/h de suco concentrado a 65% de sólidos?

Energia Interna, Calor e Trabalho Entre os anos de 1840 a 1878, Joule realizou e xperiências com as quais pôde interrelacionar calor e trabalho. Nos experimentos adicionava -se energia na forma de trabalho, extraindo-a na forma de calor. Algumas formas de energia: a) Energia Cinética: relacionada ao movimento de um corpo em relação a um referencial.

cc g

vmE

2.21= ou

cc g

vE

.2ˆ

2

= ou c

c gvm

E2.

21 �

� =

cE = energia cinética [ENERGIA]

cE = energia cinética específica [ENERGIA/MASSA]

cE� = taxa de energia cinética [ENERGIA/TEMPO] b) Energia Potencial Gravitacional: relacionada a posição em um campo gravitacional.

cp g

ZgmE

..= ou Zgg

Ec

p .ˆ = ou cgZgm

pE..�

� =

c) Energia Interna (U): Não inclui qualquer energia que um corpo possa ter em consequência de sua posição ou movimento como um todo. Esta refere-se à energia das moléculas, como energia cinética de translação, de rotação e de vibração, energias associadas aos elétrons e aos núcleos atômicos, energia de ligação, etc. Diferenciar esta energia das energias cinéticas e potencial das substâncias como um todo (formas de energia externa). Joule, em seus experimentos, adicionava energia à água sob a forma de trabalho, porém a extração de energia era feita sob a forma de calor. É razoável admitir que entre o instante em que era adicionada como trabalho e antes de ser retirada como calor, esta energia ficava contida na água sob forma de energia interna. Energia em trânsito: formas de energias que não podem ser armazenadas nos corpos. Só ocorrem nas fronteiras do sistema com a vizinhança (ex. Calor e trabalho).

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d) Calor: Energia em trânsito, flui de um corpo (ou substância) mais quente para outro mais frio. Portanto �T é a força motriz de transferência de energia na forma de calor. e) Trabalho: Grandeza definida quantitativamente como produto de força e deslocamento:

==== dVPWdVPdWdVAF

dWdlFdW ....

Primeira Lei Da Termodin Âmica (Princípio da Conservação de energia) “Embora a energia assuma diversas formas, a quantidade total é constante e, quando a energia desaparece em uma forma, ela reaparece simultaneamente em outras formas”.

WQEEU pc −=∆+∆+∆ Dos experimentos de Joule em 1847, surge a primeira relação entre calor e trabalho. Desses experimentos os seguintes resultados foram obtidos: 1. trabalho gera aumento de temperatura na água, 2. diferença de temperatura gera calor, 3. temperatura inicial pode ser restaurada, 4. calor é energia em trânsito, como trabalho, 5. a energia (e não o calor) fica armazenada na substância. Entalpia Sendo U, P e V funções de estado, qualquer combinação destes valores, resulta em outra função de estado. Logo, H é uma função de estado. Esta definição surgiu por razões de ordem prática. H = U + PV A entalpia engloba a variação de energia interna e o trabalho realizado pelo sistema sobre a vizinhança. 5 – INDÚSTRIA DE ALIMENTOS Processamento de Alimentos Desde a antiguidade a humanidade tem-se preocupado em racionalizar as fontes de alimentos. Para tanto, desenvolveu empiricamente métodos artesanais de conservação e de transformação de alimentos. Atualmente, a sociedade moderna emprega o processamento industrial, que se utiliza dos conhecimentos científicos e tecnológicos adquiridos pela humanidade, com intuito de suprir necessidades estabelecidas como: i) conservação/ melhor distribuição e transporte (otimização), ii) disponibilidade (produção sazonal),

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iii) necessidades decorrentes da forte urbanização iv) melhor distribuição do trabalho (eficiência do trabalho). Aliada a essas necessidades deve-se considerar influências de hábitos alimentares e de mudanças induzidas (saúde, modismo) e de outros fatores, como nutricionais e econômicos, sanidade (microbiológica e química), ecológicos e sócio-produtivos, tecnológicos e políticos. Industrialização de Alimentos Algumas atividades encontradas na indústria alimentícia: • caracterização das substâncias e energias envolvidas • definição dos métodos de conservação adequados • análise das transferências de energia, matéria e impulso • quantificação dos fluxos e correntes • estabelecimento do arranjo, dimensões e outras características físico-

morfológicas dos equipamentos e dispositivos. • definição dos materiais de construção. • seleção de equipamentos e dispositivos. • estabelecimento da estrutura produtiva: arranjo físico, instalações, energia,

insumos, resíduos, controle, organização, etc. • avaliação da atividade produtiva e do alimento produzido, garantindo a

inocuidade (microbiológica e química) do processo ao ser humano e ao meio ambiente.

Processo Chamamos de processo a sequência de estados de um sistema que se transforna, ou ao conjunto de manipulações realizadas em fluxos e correntes, com o intuito de propiciar as transformações necessárias às substâncias envolvidas, obtendo -se um produto a partir das matérias primas.

Uma vez que o transporte global de massa está presente em um processo, torna-se necessária uma análise quantitativa dos fluxos e correntes. O princípio de conservação da matéria (Lavoisier), aplicado aos processos, fornece equações matemáticas que exprimem o que chamamos de balanço de massa. Assim, o

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balanço de massa, algumas vezes associado ao seu análogo balanço de energia, fornece as relações entre as quantidades de matéria e energia presentes nas correntes e fluxos, permitindo, entre outros, subsídios para o dimensionamento de equipamentos e o planejamento da produção. Todo processo envolve a manipulação de substâncias (água, ar, leite, grãos, amônia, etc.) sendo necessário, para a sua análise, que estas sejam caracterizadas por suas propriedades as quais dependem do estado definido por temperatura, pressão, concentração, etc. Uma vez definidas as variáveis de um dado processo, as propriedades devem ser obtidas em fontes seguras (manuais, centros de pesquisa e desenvolvimento, laboratórios, bancos de dados), ou então estimadas fazendo uso de correlações conhecidas. Em último caso pode-se estimá-las conhecendo-se modelos que descrevem o seu comportamento ou o comportamento de substâncias análogas. As propriedades participam de expressões matemáticas e seus valores devem ser expressos em unidades compatíveis. O conhecimento dos sistemas de unidades e dos fatores básicos de conversão de unidades é o primeiro passo para assegurar resultados confiáveis. Chamamos de variáveis de processo os parâmetros que são estabelecidos em equipamentos e dispositivos e que são responsáveis pela ocorrência de reações e outras transformações: temperatura, pressão, volume e taxa de escoamento são os parâmetros que podem ser alterados no processo de forma a se conseguir o objetivo desejado. Como as substâncias exibem variação de comportamento (ou de estado) frente a uma (ou mais) destas variáveis, torna-se imprescindível o conhecimento do comportamento PVT das substâncias puras e de misturas. É a partir dos dados PVT que se estabelece o estado termodinâmico de uma substância ou sistema. Da mesma forma, é a partir das características de escoamento que se estabelecem os mecanismos de transporte de massa, energia e impulso. As necessidades de calor e trabalho em processos industriais são calculadas com o auxílio da termodinâmica e envolvem a determinação de propriedades termodinâmicas como entalpia e energia interna. Estritamente falando, termodinâmica tem o sentido de força desenvolvida às custas do calor, já que esta palavra teve origem quando do advento da máquina térmica (a vapor). Em sentido mais amplo, a Termodinâmica é a ciência que trata das transformações de energia, sendo os limites destas transformações expressos pela primeira e segunda leis da termodinâmica. É a termodinâmica que verifica se um processo ocorre ou não e que define os estados resultantes de uma transformação. No entanto, tal ciência não é capaz de calcular a velocidade de tais transformações. Para a avaliação do tempo das reações que ocorrem nos processos, utilizamos os conceitos da Cinética (química e microbiológica) que nos permite encontrar as taxas de conversão nas condições estabelecidas. Pode-se, então, avaliar qual o tempo necessário para a pasteurização ou esterilização de um alimento, qual a perda de nutrientes em um processo, etc...

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Para que determinada transformação ocorra em um dado tempo, é necessário que os equipamentos e dispositivos garantam a velocidade de transferência adequada, esta depende tanto da força motriz (ou potencial) quanto da resistência à transferência. Podemos dizer, para fluxos de massa, energia e impulso, que: fluxo=potencial/resistência. O potencial para a transferência é definido pelas condições de processo, com o auxílio da análise termodinâmica. As resistências, por sua vez, são estimadas a partir do conhecimento dos Fenômenos de Transporte (massa, energia, impulso). Os processos de transformação podem ser classificados de acordo com: • Regime de operação: contínuo; batelada • Tempo e posição:

Transiente: propriedades variam com o tempo em uma posição Permanente: propriedades não variam com o tempo em qualquer posição Uniforme: propriedades não variam com o tempo nem com a posição

• Termodinâmica: isotérmico (T constante); isobárico (P constante); isocórico (isovolumétrico); isoentálpico; isoentrópico; adiabático (sem troca de calor)

Ao identificar (ou aproximar) um processo real a uma das classificações acima, pode-se simplificar sua análise, utilizando-se de relações específicas. Para visualizarmos a diferença básica entre a análise termodinâmica do processo e o conhecimento dos Fenômenos de Transporte, analisemos a concentração de um alimento em um evaporador contínuo em regime permanente. Estabelecendo as variáveis de processo como temperatura, pressão e concentrações nas correntes de entrada e saída (entalpias) e taxa na corrente de alimentação ou de produto e estabelecendo também as variáveis T,P para a corrente de vapor de caldeira, pode-se obter, a partir do balanço de material e de energia, as correntes de água evaporada, de vapor de caldeira e da corrente de condensado e quanto de energia (calor) deve ser transferido do vapor para o alimento. No entanto não fica caracterizada a dimensão do equipamento. Para a seleção do equipamento deveremos ter conhecimento da transferência de calor (qual área de contato deverá ser suficiente para que ocorra tal transformação). Os processos utilizados no manuseio de alimentos envolvem transporte, separação e adição de constituintes. Algumas vezes reações químicas estão envolvidas. Portanto, nestas operações existe fluxo de material e uma análise da lei de conservação de massa deve ser feita.

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6 - REFRIGERAÇÃO O Histórico da Refrigeração O emprego dos meios de refrigeração já era do conhecimento humano mesmo na época das mais antigas civilizações. Pode-se citar a civilização chinesa que, muitos séculos antes do nascimento de Cristo, usava o gelo natural (colhido nas superfícies dos rios e lagos congelados e conservado com grandes cuidados, em poços cobertos com palha e cavados na terra) com a finalidade de conservar o chá que consumiam. As civilizações gregas e romanas que também aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas, a custo do braço escravo, para o preparo de bebidas e alimentos gelados. Já a civilização egípcia, que devido a sua situação geográfica e ao clima de seu país, não dispunham de gelo natural, refrescavam a água por evaporação, usando vasos de barro, semelhantes às moringas, tão comuns no interior do Brasil. O barro, sendo poroso, deixa passar um pouco da água contida no seu interior, a evaporação desta para o ambiente faz baixar a temperatura do sistema. Entretanto, durante um largo período de tempo, na realidade muitos séculos, a única utilidade que o homem encontrou para o gelo foi a de refrigerar alimentos e bebidas para melhorar seu paladar. No final do século XVII, foi inventado o microscópio e, com o auxílio deste instrumento, verificou-se a existência de microorganismos (micróbios, bactérias) invisíveis à vista sem auxílio de um instrumento dotado de grande poder de ampliação. Os micróbios existem em quantidades enormes, espalhados por todas as partes, água, alimentos e organismos vivos. Estudos realizados por cientistas, entre eles o célebre químico francês Louis Pasteur, demonstraram que alguns tipos de bactérias são responsáveis pela putrefação dos alimentos e por muitos tipos de doenças e epidemias. Ainda através de estudos, ficou comprovado que a contínua reprodução das bactérias podia ser impedida em muitos casos ou pelo menos limitada pela aplicação do frio, i.e., baixando suficientemente a temperatura do ambiente em que os mesmos proliferam. Essas conclusões provocaram, no século XVIII, uma grande expansão da indústria do gelo, que até então se mostrava incipiente. Antes da descoberta, os alimentos eram deixados no seu estado natural, estragando-se rapidamente. Para conservá-los por maior tempo era necessário submetê-los a certos tratamentos como a salga, a defumação ou o uso de condimentos. Esses tratamentos, na maioria dos casos, diminuíam a qualidade do alimento e modificavam o seu sabor. Com a descoberta, abria-se a possibilidade de se conservar os alimentos frescos, com todas as suas qualidades, durante um período de tempo maior. Contudo, o uso do gelo natural trazia consigo uma série de inconvenientes que prejudicavam seriamente o desenvolvimento da refrigeração, tornando-a de valia relativamente pequena.

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Assim, ficava-se na dependência direta da natureza para a obtenção da matéria primordial, i.e., o gelo, que só se formava no inverno e nas regiões de clima bastante frio. O fornecimento, portanto, era bastante irregular e, em se tratando de países mais quentes, era sujeita a um transporte demorado, no qual a maior parte se perdia por derretimento, especialmente porque os meios de conservá-lo durante este transporte eram bastante deficientes. Mesmo nos locais onde o gelo se formava naturalmente, i.e., nas zonas frias, este último tinha grande influência, pois a estocagem era bastante difícil, só podendo ser feita por períodos relativamente curtos. Por este motivo, engenheiros e pesquisadores voltaram-se para a busca de meios e processos que permitissem a obtenção artificial de gelo, liberando o homem da dependência da natureza. Em conseqüência desses estudos, em 1834 foi inventado, nos Estados Unidos, o primeiro sistema mecânico de fabricação de gelo artificial e, que constituiu a base precursora dos atuais sistemas de compressão frigorífica. Em 1855 surgiu na Alemanha um outro tipo de mecanismo para a fabricação do gelo artificial, este, baseado no princ ípio da absorção, descoberto em 1824 pelo físico e químico inglês Michael Faraday. Durante por cerca de meio século os aperfeiçoamentos nos processos de fabricação de gelo artificial foram se acumulando, surgindo sistematicamente melhorias nos sistemas, com maiores rendimentos e melhores condições de trabalho. Entretanto, a produção propriamente dita fez poucos progressos neste período, em conseqüência da prevenção do público consumidor contra o gelo artificial, pois apesar de todos estarem cientes das vantagens apresentadas pela refrigeração, era crença geral que o gelo produzido pelo homem era prejudicial à saúde humana. Tal crença é completamente absurda, mas como uma minoria aceitava o gelo artificial, o seu consumo era relativamente pequeno. Todavia, a própria natureza encarregou-se de dar fim a tal situação. Em 1890, o inverno nos Estados Unidos, um dos maiores produtores de gelo natural da época, foi muito fraco. Em conseqüência, quase não houve formação de gelo neste ano, naquele país. Como não havia gelo natural, a situação obrigou que se usasse o artificial, quebrando o tabú existente contra este último e mostrando, inclusive, que o mesmo era ainda melhor que o produto natural, por ser feito com água mais pura e poder ser produzido à vontade, conforme as necessidades de consumo. A utilização do gelo natural levou a criação, no princípio do século XIX, das primeiras geladeiras.

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Figura: Geladeiras de Gelo Tais aparelhos eram constituídos simplesmente por um recipiente, quase sempre isolado por meio de placas de cortiça, dentro do qual eram colocadas pedras de gelo e os alimentos a conservar. A fusão do gelo absorvia parte do calor dos alimentos e reduzia, de forma considerável, a temperatura no interior da geladeira. Surgiu, dessa forma, o impulso que faltava à indústria de produção mecânica de gelo. Uma vez aceito pelo consumidor, a demanda cresceu vertiginosamente e passaram a surgir com rapidez crescente as usinas de fabricação de gelo artificial por todas as partes. Apesar da plena aceitação do gelo artificial e da disponibilidade da mesma para todas as classes sociais, a sua fabricação continuava a ter de ser feita em instalações especiais, as usinas de gelo, não sendo possível a produção do mesmo na própria casa dos consumidores. Figura típica da época era o geleiro, que, com sua carroça isolada, percorria os bairros, entregava nas casas dos consumidores, periodicamente, as pedras de gelo que deviam ser colocadas nas primeiras geladeiras. No alvorecer do século XX, começou a se disseminar outra grande conquista, a eletricidade. Os lares começaram a substituir os candeeiros de óleo e querosene e os lampiões de gases, pelas lâmpadas elétricas, notável invenção de Edison, e a dispor da eletricidade para movimentar pequenas máquinas e motores. Com esta nova fonte de energia, os técnicos buscaram meios de produzir o frio em pequena escala, na própria residência dos usuários. O primeiro refrigerador doméstico surgiu em 1913, mas sua aceitação foi mínima, tendo em vista que o mesmo era constituído de um sistema de operação manual, exigindo atenção constante, muito esforço e apresentando baixo rendimento.

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Só em 1918 é que apareceu o primeiro refrigerador automático, movido a eletricidade, e que foi fabricado pela Kelvinator Company, dos Estados Unidos. A partir de 1920, a evolução foi tremenda, com uma produção sempre crescente de refrigeradores mecânicos. Definições Calor e Transmissão de Calor A matéria pode apresentar-se em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Contudo, dependendo da temperatura e da pressão, uma mesma espécie de matéria pode apresentar-se em qualquer outro estado físico. A água, por exemplo, pode ser encontrada nos estados sólido, líquido e gasoso. Fazer uma substância mudar de estado físico é simplesmente vencer as forças de atração e de repulsão existentes entre as partículas que a constituem. De acordo com o modo como são processadas, as mudanças de estado físico ou mudanças de fase recebem nomes especiais. A Fusão e a Vaporização são transformações que absorvem calor e por isso são chamadas endotérmicas. A Solidificação e a Liquefação se processam com desprendimento de calor e são denominadas exotérmicas. Conforme a maneira de se processar a vaporização, que é a passagem do estado líquido para o gasoso, ela recebe nomes diferentes. A evaporação ocorre mediante um processo lento que se verifica apenas na superfície do líquido, seja qual for a sua temperatura. A ebulição se dá mediante um processo tumultuoso, e a vaporização se verifica em toda a massa líquida. Ela ocorre numa determinada temperatura, chamada temperatura de ebulição, que pode variar de acordo com a pressão. A calefação é um processo rápido, numa temperatura superior à temperatura de ebulição da substância (é o que acontece quando se joga água numa chapa de fogão bem aquecida). Todos os corpos possuem energia térmica, que é a energia associada ao estado de agitação das partículas que o compõem. A temperatura é a medida dessa a gitação. Quanto maior a temperatura, mais agitadas estão as partículas, i.e., mais energia térmica está presente. Todavia, um aumento da energia térmica não eleva necessariamente a temperatura de um corpo, notadamente quanto este corpo está sofrendo uma mudança de estado físico. Quando o gelo está se fundindo, i.e., passando para o estado líquido, a temperatura de fusão permanece constante, apesar do aumento de energia térmica. Quando dois corpos com temperaturas diferentes são postos em contato, espontaneamente há transferência de energia térmica do corpo mais quente para o mais frio, até ser atingido o equilíbrio térmico. Isso é transmissão de calor, e pode ocorrer segundo três processos diferentes: Condução, convecção e radiação.

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Terminologia utilizada em refrigeração Água Gelada Meio refrigerante que retira calor da área a ser refrigerada e cede calor ao resfriador. Almofada de ar Ar preso em tubulações e equipamentos, como radiadores, etc., que impede a máxima transferência de calor; ar preso no lado da sucção de uma bomba, causando perda de sucção. Amônia Comercialmente chamada de anidra, é um refrigerante (NH3). Anidro Isento de água, especialmente de água de cristalização Ar saturado É uma mistura de ar seco e de vapor d’água saturado. Mais precisamente é o vapor d’água que é saturado e não o ar. Ar não saturado É uma mistura de ar seco e vapor d’água superaquecido. Bombas de baixo e alto vácuo As bombas de vácuo são usadas para evacuar e desidratar a unidade selada. Podem ser de baixo e de alto vácuo. Bombas de baixo vácuo são aquelas que não podem produzir um vácuo superior a 685,8 mm Hg ou 27”. Portanto, teoricamente, uma bomba de baixo vácuo atingirá, no máximo, um vácuo de 685,8mm Hg o u 27”. Bombas de alto vácuo são as que produzem um vácuo acima de 736 mm Hg ou 29”. Essas bombas atingem, no máximo, um vácuo de 760mm Hg ou 29,92”. Calor Específico Calor específico indica a quantidade de calor que cada unidade de massa do corpo precisa receber ou ceder para que sua temperatura possa variar de um grau. É uma característica natural da substância, isto é, cada substância tem seu calor específico. Os metais são substâncias de baixo calor específico, por isso, quando cedem calor sofrem grandes variações de temperatura. O calor específico depende do estado físico do sistema, sendo maior no estado líquido do que no sólido. O calor específico dos sólidos e líquidos mudará consideravelmente se o intervalo de variação da temperatura for muito grande. Para os gases, o calor específico também varia com a pressão e o volume. Caloria Quantidade de calor necessária para elevar a temperatura de um quilograma de água destilada de 1ºC.

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Calorimetria A calorimetria estuda a medida das quantidades de calor trocadas entre sistemas com diferentes temperaturas colocados em contato. O calor já era investigado quantitativamente bem antes de ser demonstrada sua natureza energética, o que levou os pesquisadores a estabelecer o conceito de quantidade de calor. Sendo o calor uma forma de energia, sua quantidade pode ser medida com a mesma unidade com que se medem outras formas. No Sistema Internacional (SI) de unidades, a quantidade de calor é medida em Joule (J). Entretanto, no campo da refrigeração são usadas outras unidades, como a caloria (cal) e a quilocaloria (kcal). Os países de língua inglesa usam o British Thermal Unit (BTU) como unidade. Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5ºC a 15,5ºC a temperatura de um grama de água pura a pressão normal. Inversamente, se retirarmos uma caloria de um grama de água com temperatura de 15,5ºC, a pressão normal, obtemos 14,5ºC. Uma BTU é a quantidade de calor necessária para aquecer 1lb (1 libra-massa = 435,6g) de água pura de 58,5ºF a 59,5ºF, sob pressão normal. É comum aparecer nos manuais técnicos de refrigeração as mais variadas unidades de calor, com seus múltiplos e submúltiplos. Calor Sensível e Calor Latente Um corpo que cede ou recebe calor pode sofrer dois efeitos diferentes: variação de temperatura ou mudança de estado. Quando o efeito do calor é de variação de temperatura, o calor é chamado de Sensível. Se o efeito do calor é de mudança de estado, o calor é chamado Latente. Observe-se que enquanto ocorre a mudança de estado, a temperatura do corpo mantém-se constante. Chiller Trocador de calor no qual o refrigerante, à baixa pressão, se evapora, absorvendo o calor da área refrigerada. Ciclo É um processo ou uma série de processos onde os estados inicial e final do sistema (da substância) são idênticos. Coeficiente de Eficácia (de Desempenho) É a relação entre o efeito refrigerante e o trabalho de compressão. Um alto coeficiente de desempenho significa alto rendimento. Os valores teóricos deste coeficiente variam desde 2,5 até mais de 5.

12

410

hhhh

WQ

taenergiagaslenergiauti

c −−===

�

�

β

Condições para a Tonelada de Refrigeração Padrão Temperatura de evaporação de -15ºC, temperatura de condensação de 30ºC, temperatura do líquido antes da válvula de expansão de 25ºC e temperatura do gás de sucção de 10ºC constituem as condições de referência da tonelada de refrigeração padrão. As condições nominais das máquinas de refrigeração são freqüentemente inferiores às da tonelada padrão.

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Congelamento Formação de gelo no dispositivo de expansão do sistema de refrigeração, tornando-o inoperante. Contrapressão Termo sinônimo de pressão de sucção. Desidratar Retirar água de qualquer tipo de matéria. Desumidificar Reduzir a quantidade de vapor d’água contida num espaço Efeito Refrigerante Ou Capacidade Frigorífica, é a quantidade de calor absorvida no evaporador, que é a mesma quantidade de calor retirado do espaço que deve ser refrigerado. Mede-se o efeito refrigerante subtraindo-se o calor contido em 1kg de refrigerante que entra na válvula de expansão do calor contido no mesmo quilograma de refrigerante ao entrar no compressor. Entalpia É o calor total ou o calor contido em uma substância, expresso em kcal/kg. Entropia É um coeficiente termodinâmico que indica o grau de perdas irreversíveis em um sistema. Equivalente Mecânico Uma quilocaloria (kcal) é igual a 427,1 quilogramas força-metro (kgf.m). Evacuação Evacuação é o ato de produzir vácuo, com a eliminação dos vapores incondensáveis do interior do sistema de refrigeração. A tarefa de evacuação precisa ser executada para recuperar uma unidade refrigeradora. Está comprovado pela experiência que uma unidade refrigeradora não funciona normalmente se contiver teores de umidade ou de gases incondensáveis. A umidade causa entupimento no circuito refrigerante devido ao congelamento na saída do capilar. Os gases incondensáveis promovem aumento de pressão no condensador, dificultando a condensação do refrigerante. O oxigênio, principalmente, pode oxidar o óleo nos locais onde a temperatura é mais alta. É, portanto, necessário que se faça simultaneamente a evacuação e a desidratação do sistema de refrigeração, antes de efetuar a carga de fluido refrigerante. A evacuação e a desidratação são feitas por meio de bombas de vácuo ( Figura 2 ) Fator de Resfriamento pelo Vento Efeito de temperatura, devido ao vento, sobre a pele desprotegida, para determinadas velocidades e temperaturas, como mostra a Tabela 1. Por exemplo, se a temperatura local é de 10ºC e o vento sopra à velocidade de 12km/h, o fator de resfriamento devido ao vento é de 0ºC.

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Lado de Alta Pressão A parte do sistema de refrigeração que fica à pressão de descarga ou do condensador. Ele compreende desde a descarga do compressor até a entrada da válvula de expansão.

Tabela – Índice de resfriamento devido ao vento. Lado de Baixa Pressão A parte do sistema de refrigeração que fica à baixa pressão. Ele compreende desde a saída da válvula de expansão até a entrada de sucção do compressor. Líquido Saturado Se uma substância existe como líquido à temperatura e pressão de saturação, esta é chamada de Líquido Saturado. Líquido Sub - Resfriado/Líquido Comprimido Se a temperatura do líquido é menor do que a temperatura de saturação para a pressão existente, o líquido é chamado de Líquido Sub-Resfriado. Se a pressão é maior do que a pressão de saturação para a temperatura dada, o líquido é chamado de Líquido Comprimido . Meio Refrigerante Qualquer fluido usado para absorver calor que circula no trocador de calor do qual o calor é retirado, e.g., água gelada e salmoura. Ponto de Orvalho Menor temperatura a que podemos esfriar o ar, sem que ocorra alguma condensação de vapor de água ou umidade, ou seja, a temperatura à qual a umidade relativa do ar é 100%.

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Pressão Pressão é a força exercida por um corpo perpendicularmente a uma superfície dividida pela área de contato desse corpo com a superfície. Portanto, pressão é força por unidade de área.

AF

P =

A pressão é: • diretamente proporcional à força, isto é, aumentando a força, a pressão aumenta. • inversamente proporcional à área, isto é, diminuindo a área, a pressão aumenta. Pressão Atmosférica e Vácuo É fato conhecido que a Terra está envolvida por uma camada gasosa denominada atmosfera. A atmosfera exerce sobre a Terra uma pressão conhecida por pressão atmosférica. O primeiro a medí-la foi o físico italiano Torricelli, a partir de uma experiência realizada ao nível do mar. Torricelli usou um tubo de vidro, com cerca de um metro de comprimento, fechado em um dos extremos. Encheu o tubo com mercúrio e tampou a extremidade aberta com o dedo. Em seguida, inverteu o tubo e mergulhou-o em um recipiente também contendo mercúrio. Só então retirou o dedo do tubo. Torricelli verificou que o mercúrio contido no tubo desceu até parar na altura de 76cm acima do nível do mercúrio contido no recipiente aberto. Por que todo o mercúrio do tubo não desceu para o recipiente? Simplesmente porque a pressão atmosférica, agindo sobre a superfície livre do mercúrio contido no recipiente, equilibrou a pressão exercida pela coluna de mercúrio contida no tubo. Torricelli concluiu que a pressão atmosférica eqüivale à pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 76cm de altura ao nível do mar; para esse valor deu o nome de atmosfera, cujo símbolo é atm. Assim , 1 atm = 76cm de Hg = 760mm de Hg. O aparelho inventado por Torricelli foi denominado barômetro. Posteriormente, foram realizadas várias experiências para medir a pressão atmosférica em diferentes altitudes e chegou-se à conclusão de que a pressão atmosférica varia com a altitude. De fato, a cada 100m de variação na altitude, a pressão atmosférica varia 1cm de coluna de mercúrio. Nos lugares elevados, a pressão diminui; nos lugares mais baixos, aumenta. A unidade mm de Hg é chamada Torricelli (Torr): 1mm de Hg = 1 Torr, logo, 1 atm = 760 mm de Hg = 760 Torr. Pascal repetiu a experiência de Torricelli usando água em lugar de mercúrio e verificou que a Pressão Atmosférica equilibra uma coluna de água de 10,33m de altura. Assim, 1 atm = 10,33m de coluna de água. Para um cálculo da Pressão Atmosférica mais preciso, a ASHRAE indica a equação abaixo, para altitudes de até 10.000 m:

2559,553 ).10.25577,21(10.325,101 HP −−=

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Pressão de Descarga Pressão na saída (descarga) do compressor ou na entrada do condensador. Pressão de Sucção Pressão na entrada (sucção) do compressor ou na saída do evaporador. Processo É uma mudança do estado que pode ser definida como qualquer mudança nas propriedades da substância. Uma descrição de um processo típico envolve a especificação dos estados de equilíbrio inicial e final. Pump Down Operação pela qual todo o refrigerante é bombeado até se depositar, em estado líquido , no condensador receptor. Refrigeração Refrigeração é todo processo de remoção de calor. É definida como a parte da ciência que trata do processo de redução e manutenção de temperatura de um espaço ou material abaixo da temperatura ambiente. Refrigeração significa esfriar constantemente, conservar frio. Para se obter o frio, deve-se extrair o calor do corpo que se quer refrigerar, transferindo-o para outro corpo com temperatura menor. Refrigerante Circulante A quantidade de refrigerante que circula no sistema para cada tonelada de capacidade. Resfriador Ver “Chiller”. Salmoura Em sistemas de refrigeração, é qualquer líquido resfriado pelo refrigerante e bombeado pela serpentina de resfriamento para absorver calor. A salmoura não sofre nenhuma mudança de estado mas, apenas, de temperatura. Usa-se a salmoura em sistemas indiretos. Sistema de Refrigeração Inundado Tipo de sistema de refrigeração em que só uma parte do refrigerante que circula é evaporado, sendo o restante separado do vapor e recirculado. Temperatura Ambiente A tempera tura do ar em um espaço, e.g., a temperatura de uma sala. Temperatura de Saturação O termo designa a temperatura na qual se dá a vaporização de uma substância pura a uma dada pressão. Essa pressão é chamada Pressão de Saturação para a temperatura dada. Para a água, por exemplo, a 100ºC, a pressão de saturação é de 1,033 kgf/cm² ou, estando a água a 100ºC, a pressão de saturação é de 1,033 kgf/cm².

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Para uma substância pura há uma relação bem definida entre a pressão de saturação e a temperatura de saturação. Título Quando uma substância existe parte líquida e parte vapor, na temperatura de saturação, a relação entre a massa de vapor pela massa total (massa de líquido + massa de vapor) é chamada de Título e representada por X , matematicamente:

vl

v

T

v

mmm

mm

X+

==

Trabalho de Compressão Quantidade de calor acrescida ao refrigerante no compressor. Pode ser medido subtraindo-se o calor contido em um quilograma de refrigerante na sucção do compressor do calor contido no mesmo quilograma de refrigerante na descarga do compressor. Tubulação de Líquido Tubulação de refrigerante através da qual o refrigerante, em estado líquido, flui do condensador até a válvula de expansão. Umidade Absoluta Peso de vapor d’água existente por unidade de volume de ar, expressa em gramas por metro cúbico. Umidade Relativa Umidade relativa é definido como sendo a relação entre a pressão parcial do vapor d’água na mistura e a pressão de saturação correspondente à temperatura de bulbo seco da mistura.

s

v

PP=ϕ

Vácuo Vácuo é o termo que designa ausência de matéria em um espaço. A ciência admite que ainda não é possível produzir vácuo perfeito. Portanto, vácuo em espaço fechado, por exemplo, no interior de um refrigerador, significa que esse espaço tem gases a uma pressão bastante inferior à pressão atmosférica. Vacuômetro É um instrumento utilizado para medir vácuo. O vacuômetro utilizado em refrigeração é o eletrônico. Vapor Superaquecido Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação, o mesmo é chamado de Vapor Superaquecido. A pressão e a temperatura do vapor superaquecido são propriedades independentes, pois a temperatura pode ser aumentada mantendo-se uma pressão constante. Em verdade, as substâncias que chamamos de gases são vapores altamente superaquecidos.

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Figura : Representação da Terminologia para uma Substância Pura. Vapor Saturado Se uma substância existe como vapor na temperatura de saturação, esta é chamada de vapor saturado. Neste caso o Título é igual a 1 (X =1) ou 100% pois a massa total é igual a massa de vapor. Freqüentemente usa-se o termo “Vapor Saturado Seco” para esta situação. Volátil Facilmente evaporável. Esta é uma propriedade essencial de todos os refrigerantes de compressão. Diagramas de Mollier As propriedades termodinâmicas de uma substância são freqüentemente apresentadas, além de tabelas, em diagramas que podem ter por ordenada e abcissa, temperatura e entropia, entalpia e entropia ou pressão absoluta e entropia respectivamente. O diagrama tendo como ordenada pressão absoluta (p) e como abcissa a entalpia (h) é mais freqüente nos fluídos frigoríficos porque nestas coordenadas é mais adequado à representação do ciclo termodinâmico de refrigeração. Estes diagramas são conhecidos por Diagrama De Mollier. A Figura abaixo mostra os elementos essenciais dos diagramas, pressão-entalpia (p - h) para o refrigerante 22. As características gerais de tais diagramas são as mesmas pa ra todas as substâncias puras.

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Figura: Principais Linhas do Diagrama de Mollier P - h para o R-22. Esses diagramas são úteis tanto como meio de apresentar a relação entre as propriedades termodinâmicas como porque possibilitam a visualização dos processos que ocorrem em cada parte do sistema. Assim, no estudo de um ciclo frigorífico, usaremos o diagrama de Mollier para mostrar o que ocorre em cada componente do sistema frigorífico (compressor, condensador, válvula e evaporador). Representamos também sobre o diagrama de Mollier o ciclo completo de refrigeração. No diagrama de Mollier, podemos destacar três regiões características, que são: a) a região à esquerda linha de líquido saturado (X=0) chamada de região de líquido

sub-resfriado. b) a região compreendida entre as linhas de líquido saturado (X=0) e vapor

saturado (X=1), chamada de região de vapor úmido ou região de líquido mais vapor.

c) a região à direita da linha de vapor saturado (X=1), chamada de região de vapor superaquecido.

Para determinar as propriedades termodinâmicas de um estado nas condições saturadas, basta conhecer uma propriedade e o estado estará definido. Para as regiões de líquido sub-resfriado e vapor superaquecido precisamos conhecer duas propriedades para definir um estado termodinâmico. Ciclo de Refrigeração Pode-se chamar de Ciclo de Refrigeração, uma situação onde, em circuito fechado, o gás refrigerante, transformando-se sucessivamente em líquido e vapor, possa absorver calor a baixa temperatura e pressão pela sua evaporação e rejeitar calor a alta temperatura e pressão pela condensação.

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Na prática, isso é conseguido a partir de quatro elementos fundamentais: 1. o compressor , que aspira e comprime o vapor refrigerante; 2. o condensador , onde o vapor refrigerante é condensado, passando ao estado

líquido; 3. o tubo capilar ou a válvula de expansão , que abaixa a pressão do sistema por

meio de uma expansão teoricamente isoentálpica e controla o fluxo de refrigerante que chega ao evaporador

4. o evaporador , onde o calor latente de vaporização é absorvido e enviado ao compressor, iniciando-se um novo ciclo.

Figura – Esquema Simplificado do Ciclo de Refrigeração

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Figura – Esquema do Ciclo de Refrigeração Nas próximas 5 figuras são mostrados exemplos dos principais componentes (Compressor, Condensador, Válvula de Expansão/Tubo Capilar e Evaporador)

Figura – Compressor para refrigeração

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Figura – Condensador

Figura – Válvula de Expansão

Figura - Tubo Capilar

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Figura – Evaporador Estes componentes, juntamente com uma série de controles (térmicos, de corrente, de pressão alta, de pressão baixa, etc.), constituem o sistema de refrigeração e possibilitam a construção de equipamentos de grande capacidade térmica e também sistemas residenciais.

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Figura – Ciclo de Refrigeração em uma geladeira residencial Refrigerantes

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O que é um Refrigerante? É o fluido que absorve calor de uma substância do ambiente a ser resfriado. Não há um fluido refrigerante que reuna todas as propriedades desejáveis, de modo que, um refrigerante considerado bom para ser aplicado em determinado tipo de instalação frigorífica nem sempre é recomendado para ser utilizado em outra. O bom refrigerante é aquele que reúne o maior número possível de boas qualidades, relativamente a um determinado fim. As principais propriedades de um bom refrigerante são: • condensar-se a pressões moderadas; • evaporar-se a pressões acima da atmosférica; • ter pequeno volume específico; • ter elevado calor latente de vaporização; • ser quimicamente estável (não se altera apesar de suas repetidas mudanças de

estado no circuito de refrigeração); • não ser corrosivo; • não ser inflamável; • não ser tóxico; • deve permitir fácil localização de vazamentos; • não deve atacar o óleo lubrificante ou ter qualquer efeito indesejável sobre os

outros materiais da unidade; • não deve atacar ou deteriorar os alimentos, no caso de vazamentos; • não deve atacar a camada de ozônio, em caso de vazamentos. Refrigerantes Freon I. Tabela dos Compostos Os produtos FREON são compostos orgânicos que contêm um ou mais átomos de carbono e flúor. Átomos de cloro, bromo e hidrogênio também podem estar presentes. Entre suas princip ais características estão a não-inflamabilidade, baixa toxicidade, excelente estabilidade térmica e química, alta densidade associada ao baixo ponto de ebulição, baixa viscosidade e baixa tensão superficial.

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Tabela – Tabela dos Compostos

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Diagrama de Mollier para R - 12

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Refrigerantes Alternativos A maior contribuição para o problema do ozônio vem dos clorofluorcarbonos plenamente halogenados (CFC’s), que têm um longo tempo de vida na atmosfera, e quase a totalidade emitida atinge a estratosfera podendo interferir no equilíbrio ozônio/oxigênio. O longo tempo de vida na atmosfera é responsável pelo alto potencial de efeito estufa destes compostos. As incertezas sobre o efeito dos CFC’s sobre a degradação da camada de ozônio e o efeito estufa deu início a uma discussão sobre o uso dos mesmos. Em um acordo internacional chamado “Protocolo de Montreal”, foram estipulados prazos para redução do consumo até o final da produção.

Tabela – Refrigerantes Alternativos

Tabela - Composição Química dos Refrigerantes O CFC mais importante é o R-12, usado principalmente em sistemas de ar-condicionado automotivo, refrigeradores e freezers domésticos, etc. O alternativo isento de cloro para o R-12 é o R-134a.

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Diagrama de Mollier para R-134a

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Trocadores de Calor Condensadores Condensador são os elementos do sistema de refrigeração que têm a função de transformar o gás quente, que é descarregado do compressor a alta pressão, em líquido. Para isso, rejeita o calor contido no fluido refrigerante para alguma fonte de resfriamento. Ao ser admitido no condensador, o fluido refrigerante está no mesmo estado que na descarga do compressor, ou seja, gás quente a alta pressão. Como em um sistema de refrigeração o objetivo é evaporar o refrigerante (para resfriar retirar calor de um ambiente e/ou produto), o refrigerante no estado gasoso deve ser condensado antes de retornar ao evaporador. O processo de condensação do fluido refrigerante se dá ao longo de um trocador de calor, denominado condensador, em três fases distintas que são: 1. Dessuperaquecimento; 2. Condensação; 3. Sub-Resfriamento. Dessuperaquecimento O gás, quando é descarregado do compressor, está a alta temperatura. O processo inicial, então, consiste em abaixar esta temperatura, retirando calor sensível do refrigerante, ainda no estado gasoso, até ele atingir a temperatura de condensação. Quando o gás atinge a temperatura de condensação, ele começa um processo de mudança de estado. Neste processo retira - se calor latente do refrigerante, i.e., a temperatura deste mantém - se constante durante todo o processo. Sub-Resfriamento Após a condensação o refrigerante, agora no estado líquido (líquido saturado), é resfriado de mais alguns graus, utilizando-se para isso um trocador de calor intermediário. É no condensador que toda a energia absorvida pelo sistema de refrigeração, mais o equivalente em calor da energia mecânica necessária ao funcionamento do sistema devem ser eliminados. Para cada tonela da de refrigeração (200 BTU/min ou 50,4 kcal/min) de capacidade do sistema, é preciso remover no condensador até 300 BTU/min. A quantidade depende das pressões de sucção e descarga e do tipo de refrigerante. Na média, os sistemas são projetados para elim inar 250 BTU/min para cada 200 BTU/min de capacidade de refrigeração. Tipos de Condensadores Os tipos de condensadores comumente usados em sistemas de refrigeração são: 1. Condensadores de casco e tubos (shell and tube); 2. Condensadores de casco e serpentina (shell and coil); 3. Condensadores de tubos duplos; 4. Condensadores atmosféricos; 5. Condensadores evaporativos 6. Condensadores resfriados a ar

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Condensadores de casco e tubos

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Condensadores de casco e serpentina

Condensadores de tubos duplos

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Condensadores atmosféricos

Condensadores evaporativos

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Condensadores resfriados a ar

40 A utilização de um ou outro tipo de condensador dependerá, dentre muitas variáveis, das condições de projeto, da localização do condensador, da reutilização ou não do calor rejeitado. Para a escolha de um condensador deve-se ter em mente alguns parâmetros, a saber: 1. O condensador deve possuir uma superfície de transferência de calor suficiente

para condensar o vapor enviado até o estado líquido; 2. O condensador deve ser projetado para pressões e temperaturas razoáveis, pois

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o processo normalmente é assim realizado; 3. O condensador deve ter tamanho suficiente para armazenar o vapor refrigerante

comprimido pelo compressor. Antes de se condensar, o vapor ocupa um volume bem definido, este volume pode ser diminuído pelo aumento da pressão, mas um aumento da pressão significa um aumento da potência requerida para fazer funcionar o sistema. Quando um condensador tem superfície suficiente, normalmente ele também tem volume suficiente. Deve-se ter cuidado quando se escolhem condensadores com superfícies aletadas, pois isso indica área suficiente para eliminação de calor sem o volume necessário.

4. O condensador deve ainda ter espaço suficiente para que o líquido refrigerante condensado se separe do vapor e seja drenado para o reservatório de líquido.

Condensadores “Shell and Tube” Um condensador do tipo “shell and tube” ou de casco e tubo, consiste de uma carcaça cilíndrica, na qual é instalada uma determinada quantidade de tubos horizontais e paralelos, conectados a duas placas de tubos dispostas em ambas as extremidades. Nos condensadores menores, a carcaça pode ser um tubo comum, mas, nos maiores, usam-se carcaças soldadas. As chapas de tubos, geralmente com espessura de 1” ou 1 ¼”, são soldadas à carcaça (casco) e perfuradas para receber os tubos. Os tubos, com as extremidades retificadas ou polidas, são inseridos nos respectivos furos das chapas de tubos e suas extremidades são soldadas ou trefiladas de modo a manter uma junta estanque ao gás. O gás refrigerante flui dentro da carcaça, em volta dos tubos, ao passo que a água passa dentro dos tubos. Condensadores “Shell and Coil” São semelhantes aos condensadores de casco e tubo. Consistem de uma carcaça que contém uma serpentina de circulação de água. Não possuem flanges removíveis (como nos de casco e tubo) e a limpeza da água só pode ser feita por meios químicos. No caso de vazamento na serpentina, toda ela tem que ser substituída. São normalmente usados para capacidades menores, i.e., potências fracionárias. Condensadores Duplo Tubo O condensador de duplo tubo tem o tubo de água dentro do tubo de refrigerante. O refrigerante passa pelo espaço entre os dois tubos, enquanto que a água é bombeada pelo tubo interior. A água flui em direção oposta à do refrigerante, ficando a água mais fria em contato com o refrigerante mais frio e a água mais quente em contato com o refrigerante mais quente, evitando-se choques térmicos. São utilizados para onde o refrigerante é a amônia, utilizam-se tubos de aço, com diâmetros de geralmente 1 ¼” para o interno e 2”para o externo. Embora o princípio da contracorrente, possibilitado por esse tipo de condensador, dê um boa utilização da água disponível, o grande núme ro de conexões e juntas necessárias em grandes instalações aumenta a possibilidade de vazamentos. Esses condensadores são difíceis de se limpar e não fornecem espaço suficiente para a separação de gás e líquido. Por essas razões, eles não são muito usados em instalações modernas de grande porte. Algumas unidades pequenas são utilizadas em instalações recentes, tendo que ser, porém, limpas quimicamente. Em caso de vazamento, toda a unidade deve ser substituída.

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Condensadores Atmosféricos O condensador atmosférico, já foi muito popular em grandes instalações de amônia, porém está caindo em desuso. Ele é construído com muitos trechos de tubulação, geralmente de aço de 2”de diâmetro, tendo o vapor de amônia fluindo dentro dos tubos. A água de resfriamento é distribuída por uma calha de suprimento que a derrama sobre a superfície externa dos tubos. Da mesma forma que nas torres de resfriamento, o resfriamento é uma combinação da evaporação de parte da água com o aquecimento do restante. Como a água deve correr para baixo, em alguns modelos, o gás de refrigerante quente é introduzido pela parte de baixo, para se obter um efeito de contracorrente, causando alguns problemas na drenagem do líquido condensado das unidades. Alguns condensadores eram equipados com sangradores, i.e., pequenas linhas conectadas às pontas de cada trecho para “sangrar” o refrigerante condensado. Esse tipo de condensador é hoje em dia muito pouco usado, devido a problemas de incrustações e de algas e devido ao grande espaço ocupado para uma dada capacidade. Condensadores Evaporativos Os condensadores evaporativos combinam as funções de condensador e de torre de resfriamento. Consiste de um invólucro que contém uma seção de ventilador, separador de gotas, serpentina de condensação do refrigerante, reservatório de água, válvula de bóia e a bomba de pulverização do lado de fora do invólucro. A bomba de pulverização circula a água do reservatório, no fundo da unidade, para os bicos de pulverização, sobre a serpentina do refrigerante. Os ventiladores forçam a passagem do ar pela serpentina e pela águ a que está sendo pulverizada sobre a serpentina. O calor do refrigerante é transmitido através das paredes da serpentina à água que passa sobre ela. O ar remove o calor da água, pela evaporação de parte dela. Os separadores de gotas impedem que gotícula s de água sejam levadas pelo ar. Esse tipo de condensador possibilita, ainda, o uso de serpentinas de sub-resfriamento e de pré-resfriamento. Definindo: 1. Serpentina de sub-resfriamento é uma serpentina auxiliar colocada abaixo da

serpentina principal. O refrigerante líquido é drenado do condensador para o receptor e canalizado através da serpentina de sub-resfriamento, a caminho do lado de baixa pressão do equipamento. A serpentina retira algum calor do refrigerante líquido e ajuda a reduzir o volume de gás desprendido.

2. Serpentina de pré-resfriamento é uma serpentina separada do sistema, usada em algumas unidades para retirar o calor de compressão do gás refrigerante antes que ele chegue à serpentina de aspersão. Esta serpentina é dimensionada de modo a retirar calor suficiente para que o refrigerante se resfrie até próximo da temperatura de condensação. Isto ajuda a reduzir a incrustação na serpentina e a reduzir a umidade relativa do ar que sai da unidade.

É interessante observar que, a capacidade de um condensador evaporativo depende da extensão da área da serpentina, da quantidade de ar que passa por ela e da temperatura de bulbo úmido do ar que entra na unidade. O calor total a ser retirado é função da temperatura de bulbo úmido. Este calor é representado pela soma do calor sensível e do calor latente do ar à temperatura dada de bulbo úmido.

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Determinando-se a temperatura de bulbo úmido do ar que entra na unidade e do ar que sai dela, o calor total nesses dois pontos pode ser determinado. O acréscimo de calor total é devido ao calor cedido pelo refrigerante que se condensa e representa a capacidade do condensador. Quanto mais baixa a temperatura de bulbo úmido do ar de entrada, tanto maior a capacidade do condensador. Além da temperatura, um fator importante para esse tipo de condensador é a área de troca de calor. Há muitos anos têm sido usadas serpentinas tanto de tubos como aletadas. O tubo liso apresenta alguma vantagem principalmente na facilidade de limpeza, porém, é mais volumoso e pesado para uma dada capacidade. A serpentina aletada pode funcionar mesmo sob condições adversas de qualida de da água, sendo esta convenientemente tratada. Apresenta também a vantagem de ter capacidade suficiente para operar como condensador seco quando a temperatura do ar está abaixo de zero. Em se tratando de climas muito frios, onde a temperatura chega muitas vezes abaixo de zero, alguns cuidados devem ser tomados para assegurar o bom funcionamento dos condensadores, a saber: 1. Uma bomba e uma tomada de água separadas podem ser instaladas na casa de

máquinas ou outro ambiente aquecido. A água do condensador pode fluir para essa tomada interna.

2. Aquecedores elétricos ou a vapor podem ser instalados no receptáculo de água. 3. Por meio de defletores, pode - se recircular uma parte do ar aquecido da

descarga pelo condensador. Fora esses cuidados, para uma boa operação destes equipamentos, há necessidade de uma manutenção preventiva como: Lubrificar apropriadamente os mancais do eixo e do motor do ventilador e os mancais da bomba; 1. As correias do ventilador devem ser revisadas periodicamente para localizar

desgaste e ajustar a tensão; 2. O reservatório de água deve ser drenado e limpo a intervalos predeterminados; 3. Os bocais de aspersão devem ser inspecionados e limpos; 4. Pontos incipientes (que estão começando) de ferrugem ou corrosão devem ser

limpos e pintados; 5. As serpentin as devem ser inspecionadas periodicamente para detectar formação

de incrustações. Seleção de Condensadores Evaporativos Para a seleção de um condensador evaporativo, é necessário: 1. Determinar a capacidade do compressor, ou seja, o calor absorvido pelo

evaporador; 2. Determinar a temperatura de bulbo úmido do local da instalação; 3. Calcular a quantidade total de calor a ser dissipado Q = Qcp + Qm onde Qcp =

capacidade frigorífica do compressor (kcal/h); Qm = calor do motor do compressor, ou seja, Qm = 642.(potência do motor-BHP) ou Qm = 860. (kW do motor)

4. Após a determinação do valor de Q, deve-se entrar na Tabela 13 para se obter o fator de correção, em função da temperatura de bulbo úmido do local da instalação frigorífica.

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5. O fator de correção deve ser multiplicado pelo valor de Q já obtido Qcd = Q . Fc 6. Com o resultado Qcd, deve - se entrar em tabelas de dados técnicos para

seleção do equipamento.

Tabela 13 – Fatores de correção de capacidade para os gases R-12, R-22 e R-502 Condensador a Ar O condensador a ar é utilizado para unidades de refrigeração com potência fracionária, e.g., refrigeradores domésticos e comerciais. Por proporcionarem economia, pois não precisam de tubulação de água como os condensadores resfriados a água, por não tomarem muito espaço e ainda, dependendo da situação, poderem se utilizar apenas da transmissão de calor por convecção natural, são muito utilizados em pequenas e médias instalações. Hoje, com o custo crescente da água e as restrições ao seu uso, a utilização desse tipo de condensador tem sido ampliada para instalações de grande porte. Evaporadores Evaporador é a parte do sistema de refrigeração onde o fluido refrigerante sofre uma mudança de estado, saindo da fase líquida para a fase gasosa. É chamado, às vezes, de serpentina de resfriamento, resfriador da unidade, serpentina de congelamento, congelador, etc. Embora o evaporador seja às vezes um dispositivo muito simples, ele é realmente a parte mais importante do sistema. Qualquer sistema de refrigeração é projetado, instalado e operado com o único fim de retirar calor de alguma substância. Como esse calor tem que ser absorvido pelo evaporador, a eficiência do sistema depende do projeto e da operação adequada do mesmo. A eficiência do evaporador em um sistema de refrigeração depende de três principais requisitos, que devem ser considerados no projeto e seleção do mesmo: 1. Ter uma superfície suficiente para absorver a carga de calor necessária, sem

uma diferença excessiva de temperatura entre o refrigerante e a substância a resfriar.

2. Deve apresentar espaço suficiente para o refrigerante líquido e também espaço adequado pa ra que o vapor do refrigerante se separe do líquido.

3. Ter espaço suficiente para a circulação do refrigerante sem queda de pressão excessiva entre a entrada e a saída.

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O Processo de Evaporação Após passar pela válvula de expansão, o fluido refrigerante é admitido no evaporador na forma líquida. Como a pressão no evaporador é baixa, o fluido refrigerante se evapora com uma temperatura baixa. No lado externo do evaporador há um fluxo de fluido a ser refrigerado (água, solução de etileno-glicol, ar, etc.).

Figura Funcionamento Evaporador Como a temperatura desse fluido é maior que a do refrigerante, este se evapora. Após todo o refrigerante se evaporar, ele sofrerá um acréscimo de temperatura denominado superaquecimento. Classificação dos Evaporadores Os evaporadores são classificados de várias formas, sendo as mais comuns: 1. Tipo de alimentação do líquido; 2. Superfície de troca de calor. Segundo o tipo de alimentação do líquido, os evaporadores são divididos em evaporadores “secos” ou “inundados”. O evaporador “inundado” é disposto com um tanque ou tambor compensador localizado acima da serpentina, de modo que o interior do evaporador permaneça inundado com refrigerante. Pode ter ainda duas configurações, com recirculação por gravidade ou por bomba.

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Figura – Evaporador Inundado

Figura – Circuito inundado com recirculação por gravidade

Figura – Circuito inundado com recirculação por bomba O evaporador “seco”, título que não esclarece bem o sistema, possui um dispositivo de controle do refrigerante que admite apenas a quantidade de líquido suficiente para que ele seja totalmente evaporado até atingir a saída da serpentina. Todo refrigerante sai da serpentina em estado seco, i.e., como vapor seco.

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Figura – Evaporador Seco de Superfície Primária

Figura – Circuito com expansão seca Segundo a superfície de troca de calor, os evaporadores são classificados em evaporadores de “superfície primária” e de “superfície estendida”. Os evaporadores de superfície primária são feitos apenas de canos ou tubos lisos e os evaporadores de superfície estendida também são feitos de canos ou tubos lisos mas possuem extensões da superfície feitas de chapas ou placas metálicas ou ondulações fundidas ou usinadas na superfície da tubulação (aletas).

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Figura – Esquema de um Evaporador de Superfície Estendida

Figura – Evaporadores de Superfície Estendida Uma grande vantagem dos evaporadores de superfície estendida é que os mesmos oferecem uma superfície de contato (de troca de calor) com a substância que deve ser resfriada muito maior do que os evaporadores de tubos lisos. São utilizados geralmente para o resfriamento de ar ou outros gases. Tipos de Evaporadores Um tipo de evaporador é o evaporador de serpentina de placas. O mesmo é feito de lâminas planas de metal interligadas por curvas de tubo soldadas a placas contíguas. Pode ser feita também de placas rebaixadas ou ranhuras e soldadas entre si, de modo que as ranhuras formem uma trajetória determinada ao fluxo do refrigerante. São mais comumente utilizadas como serpentinas de prateleiras em congeladores. O refrigerante circula através dos canais e o produto a congelar é colocado entre as placas. Esse tipo de evaporador pode ser produzido pelo sistema Roll-Bond, ou seja: • tomam-se duas chapas de alumínio, imprime-se nas mesmas canais em grafite

com o formato desejado; • faz-se a união das chapas por caldeamento a 500ºC (o caldeamento não ocorre

nos pontos onde há grafite); • os canais são expandidos sob uma pressão de 150 atm, retirando de dentro todo

o grafite e deixando o formato dos canais.

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Evaporadores de placa construídos em alumínio pelo sistema Roll-Bond tem um Coeficiente Global de Transmissão de Calor (K) entre 5 e 7 kcal/h.cm², tendo ainda um espaço de aproximadamente 30mm entre os canais. Os evaporadores possuem ainda, junto aos canais, um acumulador de sucção. O acumulador é uma extensão do evaporador que tem como objetivo receber as variações de carga e assegurar que o refrigerante no estado líquido não atinja o compressor. Em um evaporador Roll-Bond, esse acumulador tem a forma de uma colmeia que representa de 15 a 20% do volume do evaporador.

Figura – Evaporadores de Placas

Figura – Evaporadores de Placas Conformadas

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Figura – Evaporador Roll-Bond com acumulador de sucção Um segundo tipo de evaporadores é o evaporador tubular. O mesmo é utilizado normalmente em ar condicionado e assemelha-se, em aparência, ao condensador tubular e a outros trocadores de calor. Esse tipo de evaporador é usado para resfriar água, que é, por sua vez, circulada através das unidades de resfriamento do ar. Nesta construção, a água flui pelos tubos do resfriador, ao passo que o refrigerante líquido que circunda a superfície externa dos tubos se e vapora ao absorver calor da água.

Figura – Evaporador tubular Um terceiro tipo de evaporador é o evaporador de Baudelot. O mesmo é um evaporador que resfria o líquido até próximo de seu ponto de congelamento. Os modelos primitivos possuíam uma série de tubos, uns por cima dos outros. O líquido a resfriar escorre, numa fina película, por fora dos tubos, e o refrigerante circulava por dentro deles. Os modelos mais modernos utilizam chapas estampadas e corrugadas de aço inoxidável, com as ondulações servindo de passagem para o refrigerante. O aço inoxidável oferece uma superfície higiênica e de fácil limpeza. Além disso, a superfície contínua permite melhor controle da distribuição do líquido. Qualquer congelamento que ocorra não tem efeito sobre a placa.

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Figura – Evaporador de Baudelot Sistemas de Expansão Direto e Indireto Um sistema de serpentina de expansão direta (dx) é um método direto de refrigeração em que o evaporador está em contato direto com o material ou espaço a refrigerar ou se localiza em passagens de circulação de ar que se comunicam com esse espaço. O evaporador de um sistema direto pode incluir qualquer tipo de trocador de calor, como serpentinas de tubos, resfriadores tubulares, serpentinas aletadas ou qualquer dispositivo no qual um refrigerante primário, como amônia, Freon ou dióxido de carbono, seja circulado e evaporado com a finalidade de resfriar qualquer material em contato direto com a superfície oposta do trocador de calor. Ao contrário desse sistema, está o sistema indireto: o refrigerante é evaporado na serpentina do evaporador, que está imerso em um tanque de salmoura. A salmoura, um refrigerante secundário, é então circulada para as serpentinas das câmaras frigoríficas para resfriá-las, em lugar da serpentina que contém o refrigerante primário. A distinção entre um sistema de expansão direto e outro sistema qualquer não está no tamanho ou formato do equipamento de tra nsferência de calor, mas no processo de transferência empregado: ou pelo processo de calor latente, através da evaporação do refrigerante primário, ou pelo processo do calor sensível, com um refrigerante secundário.

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Figura – Comparação do sistema de expansão direta com o indireto Coeficiente Global de Transmissão de Calor Os valores do coeficiente global de transmissão de calor (K) podem variar como segue:

7 – TABELAS E DIAGRAMAS

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Tabelas de conversão para SI

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Propriedades físicas da água (BG)

Propriedades físicas da água (SI)

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Propriedades físicas do ar (BG)

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Propriedades físicas do ar (SI)

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Viscosidade cinemática de alguns fluidos comuns

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Viscosidade dinâmica de alguns fluidos comuns

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