Refrigeracao e Ar CondicionadoRevisao

Filipe Fernandes de Paulafilipe.paula@engenharia.ufjf.br

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I Para um entendimento e domınio dos conceitos de refrigeracao e arcondicionado, e preciso ter um conhecimento previo determodinamica e transferencia de calor;

I TermodinamicaI O processo de refrigeracao funciona segundo um ciclo termodinamico.

I Transferencia de calorI O processo de troca de calor e inerente a refrigeracao, tendo como

um dos principais componentes trocadores de calor.

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Revisao de Termodinamica

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Introducao

I Termodinamica estuda o estado do sistema, mais especificamente oequilıbrio desses sistemas;

I Para isso, a termodinamica, lida com todos os tipos de energia,incluindo termica e mecanica, trabalho e transferencia de calor.

I O estado do sistema e descrito por suas propriedadestermodinamicas, que sao caracterısticas da materia que podem seravaliadas quantativamente;

I Exemplos de propriedades termodinamicas sao: temperatura, pressao,densidade/volume especıfico, energia interna, entalpia, entropia e etc;

I As propriedades do sistema podem ser classificadas em intensivas eextensivas:

I Intensivas - Sao propriedades que nao dependem da quantidade demateria do sistema;

I Extensivas - Sao propriedades que dependem das quantidade demateria do sistema.

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Propriedades TermodinamicasI A propriedades termodinamicas podem ser obtidas de duas formas:

I Tabelas de propriedades;

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Propriedades TermodinamicasI Software;

I CATT3

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Propriedades TermodinamicasI EES

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Metodos de analise e descricao do escoamentoI Analise Lagrangeana - Sistemas (Sistemas fechados)

I Descreve o escoamento de cada partıcula do fluido que esta fluindo,acompanhando sua trajetoria no tempo;

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

I Analise Euleriana - Volumes de controle (Sistemas abertos)I Descreve o fluxo atraves de um volume arbitrario no espaco, o qual

engloba os pontos de interesse do escoamento.I Abordagem utilizada em mecanica dos fluidos, devido a impraticidade

de descrever um ”grande”numero de moleculas em movimento.

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Substancias Puras

I E qualquer substancia que tenha composicao quımica invariavel ehomogenea. Ela pode existir em mais de uma fase (solida, lıquida egasosa), mas a sua composicao quımica e a mesma em qualquer dasfases.

I Agua, uma mistura de gelo e agua ou vapor e agua, sao todossubstancias puras (H2O).

I Misturas de gases como o ar, exibem algumas caracterısticas desubstancias puras desde que nao haja mudanca de fase;

I Possuem ponto de solidificacao, ebulicao e condensacao bemdefinidos e constantes.

I A temperatura de mudanca entre as fases lıquida e vapor chamadade temperatura de saturacao.

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Estados de uma Substancia Pura

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Diagramas de EstadoI Eles representam graficamente a relacao matematica existente entre

as variaveis de estado de uma substancia pura.

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Processo Termodinamico

I Quando pelo menos uma propriedade do sistema mudar, diz-se queocorreu uma mudanca de estado;

I O caminho pelo qual o sistema passa de um estado para outro ealterado e chamado de processo;

I Quando as propriedades do sistemas nao sao dependentes do tempo,o sistema esta em regime permanente;

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Processos TermodinamicosI Processo isotermico - nao existe variacao de temperatura;

I Processo isocorico/isovolumetrico - nao existe variacao devolume;

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Processos TermodinamicosI Processo isobarica - nao existe variacao de pressao;

I Processo adiabatica - nao existe transferencia de calor;

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Ciclo Termodinamico

I Um sistema percorre um ciclo quando dado um determinado estadoinicial, ele sofre uma sequencia de processos diferentes e retorna aoestado inicial;

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Trabalho

I A definicao classica de trabalho e de uma forca agindo sobre um

corpo realizando um deslocamento;

δW = Fdx 1W2 =

∫ 2

1

Fdx

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TrabalhoI Existem inumeras maneiras de realizar trabalho sobre um sistema.

Uma maneira em particular de interesse e o trabalho realizado pela

movimentacao da fronteira do sistema.

δW = pAdL = pdV 1W2 =

∫ 2

1

pdV

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CalorI Calor e a energia termica em transito, que atravessa a fronteira de

um sistema de maior temperatura em direcao a outro sistema (ouvizinhanca) de menor temperatura devido a uma diferenca detemperatura entre os dois sistemas (ou sistema e vizinhanca);

I Lei Zero da TermodinamicaI Se dois corpos A e B estao separadamente em equilıbrio termico com

um terceiro corpo C, entao A e B estao em equilıbrio termico entre si.

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Primeira Lei da Termodinamica

I A Primeira Lei da Termodinamica estabelece o princıpio daconservacao de energia em um sistema termodinamico;

I A energia total transferida para um sistema e igual a variacaoda energia interna do sistema;

I Em termos de um sistema fechado

∆Epot + ∆Ecin + ∆U = Q −W (1)

I Em termos de um volume de controle

dEacu

dt= Q − W +

∑min

(hin +

1

2V 2in + gZin

)+∑

mout

(hout +

1

2V 2out + gZout

) (2)

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Primeira Lei da Termodinamica

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Segunda Lei da Termodinamica

I Enunciado de Kelvin-PlanckI E impossıvel construir uma maquina que opere de forma cıclica e

troque calor com um unico resevatorio, que nao gere outro efeitosenao producao de trabalho;

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Segunda Lei da TermodinamicaI Enunciado de Clausius

I E impossıvel construir uma maquina que opera ciclicamente que naoproduza outros efeitos senao a transferencia de calor de um corpo friopara um corpo quente.

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Revisao de Transferencia de Calor

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Introducao

I Ciencia que estuda os modos e mecanismos em que o calor etransferido entre a materia;

I Conducao;I Conveccao;I Radiacao.

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ConducaoI Modo de transferencia de calor baseado no movimento

intermolecular e interatomico aleatorio;I Pode ser visto como a transferencia de energia de particulas mais

energeticas para menos energeticas;

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Conducao

I A transferencia de calor por conducao pode ser quantificada pelaequacao de Fourier;

qx = −AkdT

dx(3)

I Para um regime permanente;

qx = −kA∆T

∆x(4)

I O parametro k e uma propriedade de transporte que depende domaterial do corpo, e tem unidade [W /m · k];

I O sinal negativo e devido a transferencia de calor ser na direcao daqueda de temperatura.

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Conveccao

I A transferencia de calor por conveccao ocorre quando existe umfluido em movimento e uma diferenca de temperatura;

I A conveccao acontece atraves de dois mecanismos:I Movimento global do fluido, conhecido como adveccao;I Movimento difusivo das moleculas.

I A transferencia por conveccao pode ser classificada de acordo com anatureza do escoamento:

I Conveccao natural ocorre quando o escoamento do fluido e causadopor meios externos, como ventiladores e bombas;

I Conveccao forcada acontece devido as forcas de empuxo, que saogeradas por diferencas de densidade, que por sua vez sao originadaspela variacao de temperatura;

I Condensacao e evaporacao induzem troca de calor por conveccao.

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Conveccao

I A taxa de transferencia de calor por conveccao pode ser calculada

utilizando a Lei de Resfriamento de Newton, dada pela seguinte

expressao:

q = h(Ts − T∞) (5)

I O parametro h e chamado de coeficiente de conveccao;

I O estudo de conveccao e focado principalmente na determinacao docoeficiente de conveccao.

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Radiacao

I Radiacao termica e a energia emitida pela materia devido amudanca na configuracao eletronica dos atomos;

I A radiacao nao necessita de uma meio material para transferenciade energia termica;

I A Lei de Stefan-Boltzmann fornece uma relacao para quantificar a

quantidade de energia emitida pela materia a uma determinada

temperatura,

E = εσT 4 (6)

I A constante σ e conhecida como constante de Stefan-Boltzmann evale 5, 67x10−8W /m2K 4;

I A propriedade ε e chamada de emissividade, e depende do material.Esse parametro fornece a efetividade de emissao de radiacao.

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RadiacaoI Para casos em que existe uma pequena superfıcie a uma

temperatura Ts envolta por uma superfıcie isotermica muito maior,

pode-se escrever:

q′′

rad = εσ(T 4s − T 4

viz) (7)

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