Baixe termodinamica e outras Notas de estudo em PDF para Eletromecânica, somente na Docsity! 1 2 Introdução – Equipamentos Termodinâmicos Em meados do século XIX o homem descobriu a propriedade criogênica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido à expansão e começou a fazer gelo industrialmente em grande escala. A partir dessa época, então, tem início a atividade comercial de conservação de alimentos em grande escala. Não havia, sequer, os grandes entrepostos frigoríficos, mas sim as fábricas de gelo. Nos setores comerciais e residenciais este gelo industrial era usado para fazer essa conservação dos alimentos em pequena escala. Assim a utilização dos sistemas de refrigeração virou indispensável nos dias de hoje. Geladeiras, ar condicionado, refrigeração industrial são os maiores exemplos que podem ser tomados para utilização do sistema de refrigeração. Como conseqüência, também é indispensável o uso da energia elétrica para o acionamento dos motores e outros equipamentos associados a esses sistemas. Com objetivo de cada vez mais aprimorar a utilização, melhorar a economia de energia, aumentar o poder de resfriamento e conservação de baixas temperaturas, vários estudos são realizados nessa área com o intuito de evoluir cada vez mais os sistemas de refrigeração. 5 DEFINIÇÕES BÁSICAS Calor – É a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferença de temperatura entre eles. Ciclo – Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformações e retorna mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial é idêntico ao estado final após as transformações sofridas. Energia – É a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema ser transformado pela adição ou extração de energia. Calor e trabalho são diferentes formas de energia em trânsito, não são contidos em nenhum sistema. Tanto o calor como o trabalho são funções do caminho e dependem, portanto do processo (Eles não são propriedades ou sistemas). Energia, calor e trabalho são expressos em joules (J) = Newton. m (Nm) Energia mecânica – Entropia – Entropia indica o grau de desorganização do universo. Faz considerações sobre o grau de liberdade das moléculas (átomos) Estado – o estado de um sistema é a sua condição a qual é definida por suas propriedades. Grandeza específica – é quando a grandeza é relacionada à unidade de massa. Processo – é uma transformação ou série de transformações no estado do sistema. Processo Reversível – Um processo é reversível se o sistema e sua vizinhança podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reversão do processo. Um processo reversível em uma máquina com escoamento somente é possível quando há ausência de atrito no fluído e transferência de calor com diferenças de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo ideal somente serve como referência na comparação com processos reais equivalentes. Processo irreversível – No irreversível o estado inicial não é atingido pela reversão do processo. Como sempre há atrito e as diferenças de temperatura são finitas todos os processos reais são irreversíveis. Processo Adiabático – Quando não há transferência de calor entre o sistema e a vizinhança durante o processo. – Sistema é isolado – Aumenta (diminui) a temperatura da vizinhança na mesma proporção do sistema – Executa o processo rapidamente. Sistema – um conjunto arbitrário de matéria tendo uma fixada identidade. 6 – fora do sistema têm-se a vizinhança – a interface entre sistema/vizinhança chama-se fronteira Sistema fechado – quantidade fixada de matéria – não há fluxo de matéria – há troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar (pistão). Sistema aberto – há um fluxo contínuo de matéria através das fronteiras – volume de controle (superfície de controle). A quantidade da matéria ocupando o volume de controle varia com o tempo! Temperatura – É a medida do potencial térmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema. Trabalho – É aquilo que o sistema transfere à sua vizinhança quando suas fronteiras são deslocadas pela ação de uma força. Trabalho = forma x distância (na direção das forças). Resfriamento: Tudo aquilo que conseguimos resfriar até a temperatura ambiente. Ex: Uma xícara de café quente em cima da mesa. Refrigeração: Tudo aquilo que conseguimos resfriar abaixo da temperatura ambiente. Ex: Uma geladeira residencial. AGENTES REFRIGERANTES É uma substância usada para a transferência de calor num sistema de refrigeração. Esses agentes têm como características principais: - Ser volátil ou capaz de evaporar; - Calor latente elevado; - Ser seguro, não combustível ou explosivo; - Ser inofensivo às pessoas; - Custo razoável e existir em abundância; - Ser estável; - Não ter efeito prejudicial sobre os demais componentes do sistema; - Ter pressões razoáveis; - Bom desempenho; - Temperatura crítica acima da de condensação. 7 Ar Condicionado Basicamente, a exemplo do que ocorre com um refrigerador (geladeira), a finalidade do ar condicionado é extrair o calor de uma fonte quente, transferindo-o para uma fonte fria. Isto é possível através do sistema evaporador e condensador. No aparelho de ar condicionado existe um filtro, em forma de lençol, no qual passa o ar antes de ir para o evaporador, o que permite eliminar umidade e impurezas. COMPONENTES a) Ventilador Em um aparelho de ar condicionado existe o ventilador elétrico, para forçar a passagem do ar. Comumente, utiliza-se um motor com eixo duplo, sendo numa extremidade, colocado um ventilador do evaporador e noutra o ventilador do condensador (Figura 2). Figura 2- Motor Elétrico b) Grupo Refrigerador Constam de compressor, evaporador e condensador. O seu funcionamento e características do ciclo de refrigeração são os mesmos já explicados anteriormente (Figura 3). 10 Figura 3- Grupo refrigerador TERMOSTATO Tem por finalidade manter o ambiente à temperatura desejada, interrompendo somente o funcionamento do compressor, deixando o ventilador funcionando como circulador e renovador do ar. O bulbo do termostato deve ser colocado em contato com o ar ambiente que é aspirado pelo ventilador. Todo ar condicionado é munido de dispositivos para efetuar as seguintes operações: - Circulação somente de ar; geralmente em duas velocidades. - Resfriamento normal – circulação de ar, funcionando simultaneamente com o compressor, mantendo-se o ar em baixa velocidade. - Resfriamento máximo – compressor e ventilador funcionando simultaneamente, porém o volume de ar do ventilador em velocidade máxima. 11 CLASSIFICAÇÃO DO AR CONDICIONADO Os condicionadores de ar podem ser divididos em 3 categorias: a) Condicionador de ar tipo residencial – Não permite refrigerar mais de um ambiente. b) Sistema compacto para refrigeração de dois a três locais, mediante a colocação de dutos. A capacidade varia de 22.000 a 50.000 BTU. c) Sistema comercial, com capacidade de refrigeração muito elevada, entre 50.000 a 90.000 BTU. Este sistema requer a instalação de uma torre de resfriamento, e uma tubulação de água para efetuar o resfriamento. A torre de resfriamento pode ser colocada no terraço do prédio. A torre de resfriamento é composta na parte superior por uma grande bandeja perfurada, na parte superior por uma grande bandeja perfurada, de um corpo de chapas de madeira espaçadas de alguns centímetros, de um ventilador acionado por um motor elétrico, de um recipiente para recolha e distribuição da água, da carcaça metálica da torre propriamente dita, de uma bomba elétrica para circulação forçada da água. A água proveniente da fonte de alimentação (1), passa pela bóia e enche o reservatório inferior da torre. Uma bomba (2) aspira a água fria do reservatório e a envia ao condensador do ar condicionado. A água retira calor do condensador (3) e fica quente, sendo então dirigida para a parte superior da torre, indo cair na bandeja perfurada (4), atravessa as camadas de madeira, que amortecem sua queda, retornando ao reservatório (6). O ventilador elétrico (5) provê a subtração do calor da água (Figura 4). 12 Refrigeração ou Arrefecimento O meio refrigerante na maioria dos casos é água com aditivos para rebaixar o ponto de congelamento (por exemplo: etileno-glicol, recomendado para utilização em regiões mais frias) e para proteger contra a corrosão (óleos emulsionáveis ou compostos que, em contato com a água, tendem a formar películas plásticas). A quantidade do meio refrigerante é pequena (de 3 a 6 litros), para poder chegar rapidamente à temperatura de serviço; eventual reserva é feita no radiador e tanque de expansão. O rebaixamento da temperatura da água no radiador é da ordem de 5°C. As bolhas de vapor que se formam nos pontos de pressão mais baixa (antes da bomba) devem ser eliminadas através da linha "i" e, chegando ao tanque de expansão "a", se condensam. A capacidade de pressão da bomba centrífuga é de 10 a 20 m de elevação e a quantidade de água em circulação é proporcional à velocidade. O fluxo do meio de refrigeração é controlado por válvula(s) termostática (s) (Figura 6). Figura 6-Sistema de Refrigeração do Motor Diesel a = reservatório com tampa de alimentação (tanque de expansão); b = bomba centrífuga; c = bloco do motor; d = cabeçote(s) dos cilindros; e = radiador; f = trocador de calor; g = válvula termostática; h = válvula manual para alimentação; i = eliminação das bolhas de vapor. As temperaturas (em °C) de abertura das válvulas termostáticas estão assinaladas nas circulações correspondentes. 15 É falsa a idéia de que a eliminação da válvula termostática melhora as condições de refrigeração do motor. Muitos mecânicos, ao se verem diante de problemas de superaquecimento do motor, eliminam a válvula termostática, permitindo que o motor trabalhe abaixo das temperaturas ideais em condições de poucas solicitações e, quando sob regime de maior rotação e carga, não disponha da quantidade suficiente de água para troca de calor. A pressão interna do sistema é controlada pela válvula existente na tampa do radiador (ou do tanque de expansão) que, em geral, é menor que 1,0 at. Pressões entre 0,5 e 1,0 at, permitem o dimensionamento do radiador com menor capacidade, entretanto, com pressões nesta faixa, as juntas e vedações ficam submetidas a solicitações mais elevadas. É necessário manter a pressurização adequada do sistema de refrigeração, de acordo com as recomendações do fabricante do motor, pois baixas pressões proporcionam a formação de bolhas e cavitação nas camisas dos cilindros. Os cabeçotes devem receber um volume adequado de água, mesmo com temperaturas baixas, para não comprometer o funcionamento das válvulas de admissão e escapamento. Normalmente, a pressão de trabalho do sistema de arrefecimento encontra-se estampada na tampa do radiador. Ao substituir a tampa, é necessário utilizar outra de mesma pressão. Válvula Termostática para Regulação do Fluxo de Água de Refrigeração a = afluxo; b = saída fria; c = saída quente; d = prato da válvula do lado quente com frestas de vedação para deixar escapar o ar durante o abastecimento; e = prato da válvula lado frio; f = enchimento de cera; g = vedação de borracha; o curso da válvula depende da variação de volume do material elástico (cera) durante a fusão ou solidificação (Figura 7). 16 i Figura 7- Válvula Termostática Tampa do Radiador com Válvulas de Sobre-Pressão e de Depressão a = válvula de sobre-pressão; b = molas de a; c = tubo de descarga; d = válvula de depressão; e = tampa (Figura 8). Figura 8- Tampa do Radiador 17 Figura 10- COP de Bomba de Calor x Potencia. A figura representa a variação do COP nominal versus Potência do equipamento de alguns fornecedores, onde podemos verificar até que há variações de COP em equipamentos com mesma potência de um mesmo fabricante. 20 COP Real Quando a Bomba de Calor está em operação o seu rendimento (COP) varia de acordo com as condições do meio, ou seja, o rendimento varia com a temperatura, umidade e pressão do ar e também varia com a temperatura e vazão da água da piscina (levando em consideração o aquecimento da água de uma piscina). A temperatura ambiente é um dos fatores que mais afetam o desempenho da bomba de calor, o que pode ser observado já que é do ar que é retirado o calor para ser transferido para a água da piscina. Assim quanto mais quente, mais energia disponível, e infelizmente, quanto mais frio, menor é a eficiência, pois precisaremos de mais potência para que o equipamento gere mais calor. Figura 11- COP de Bomba de Calor A figura acima mostra a variação do COP da Bomba de Calor com a temperatura (Figura 11). 21 Figura 12- Variação do COP com a Temperatura Ambiente em 24 horas A figura mostra que das 8 às 15 horas, quando as temperaturas são maiores, o COP é maior que nas demais horas do dia (Figura 12). 22 Figura 14 - Bomba de calor com arrefecimento passivo e aquecimento de água sanitária A figura acima mostra o funcionamento de uma bomba de calor com arrefecimento passivo e aquecimento de água sanitária. O compressor faz com que o fluído refrigerante, que circula em circuito fechado, atinja pressão e temperaturas elevadas. No condensador (trocador de calor) o calor é transferido para o aquecimento central. O fluído arrefece e liquefaz-se. Na válvula de expansão, o fluído expande-se (queda de pressão) e arrefece. Sondas geotérmicas permitem aproveitar o calor constante que existe nas camadas do subsolo, para que a produção de água quente sanitária e como fonte de frio para o arrefecimento passivo. No evaporador (trocador de calor) a energia captada pela sonda geotérmica é transferida para o fluído frigorífico. Este aquece e evapora-se. Para a operação paralela do aquecimento central da água e do arrefecimento passivo, os dois sistemas são separados hidraulicamente por válvulas comutadoras. A água fria ao circular pelo ventiloconvector envia, através do seu ventilador, para o ar ambiente um frescor agradável e retira o calor existente. A temperatura de ida tem de ser regulada para não haver condensação. O ventilador possui várias velocidades de funcionamento. 25 A água arrefecida ao circular pelo piso radiante, pelas paredes ou pelo teto arrefece de maneira agradável a superfície da divisão do edifício. Esta superfície funciona como permutador de calor retirando calor do espaço ambiente. A temperatura de ida tem de ser regulada de forma a não haver condensação. As válvulas comutadoras conduzem a água d aquecimento através do permutador passivo de calor e arrefecem-no. Ativando a bomba de circulação / arrefecimento de água glicolada, a energia de água de aquecimento é transferida para o circuito de água glicolada dentro do permutador de calor e dissipa- se no solo (Figura 15 - Figura 16). Figura 15 - Bomba de Calor Quente/Frio 26 Figura 16 - Bomba de Calor em Piscina Principal Componente da Bomba de Calor O Compressor: esta parte da bomba de Calor, chamada de compressor, é basicamente o coração da máquina. Quando o gás refrigerante passa pelo evaporador e absorve calor do ar que foi sugado e ele estando superaquecido é puxado pelo compressor da máquina que, de acordo com sua potência, aquece o gás ainda mais. É importante salientar, que o compressor tem certo consumo de energia que, embora baixo, deve ser levado em consideração. Um compressor de alta qualidade irá gastar menos energia por muito mais rendimento de calor. O melhor compressor do mercado é o Compressor Scroll sem vias de dúvidas. O compressor Scroll é uma tecnologia importada de uma empresa chamada Copeland e está disponível no mercado brasileiro em algumas marcas de trocadores de calor. A Copeland, atualmente a maior fabricante mundial de compressores para refrigeração comercial, industrial e ar-condicionados, iniciou suas atividades em Detroit (EUA) no ano de 1921. Os compressores scroll, como outras tecnologias rotativas, requerem poucas partes móveis em comparação com os compressores a pistão. Devido à baixa velocidade de deslizamento em todos os pontos de contato, o mecanismo de precisão e as tolerâncias ajustadas dos elementos do scroll, é possível usar o contato físico entre as duas espirais como um vedador, eliminando, assim, a necessidade de usar um grande volume de óleo para esta função. O contato físico entre as espirais também tem a vantagem de eliminar os espaçamentos e reduzir fugas, sendo possível criar compressores de alto rendimento e ao mesmo tempo em que apresentam um menor deslocamento. O compressor Scroll está em contraste direto com os compressores à pistão, onde as proporções de fuga são superiores (menor rendimento) e se compensam usando deslocamentos maiores. Os compressores scroll são máquinas silenciosas e de 27 exterior de PVC e as peças de aço inoxidável garantem-lhe que o seu investimento terá uma vida útil bastante grande e acima de tudo, com custos de manutenção muito reduzidos. Ao não utilizarem chama, as bombas de calor evitam a liberação de gases de combustão que se podem tornar incômodos ou mesmo perigosos. Por outro lado, recorrendo à eletricidade, evita-se a necessidade de depósito de combustível que alimente os equipamentos. CALDEIRAS GERADORES DE VAPOR É um aparelho térmico que produz vapor a partir do aquecimento de um fluido vaporizante. Na prática adotam-se alguns nomes, a saber: Caldeiras de Vapor: são os geradores de vapor mais simples, queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de calor. Caldeiras de Recuperação: são aqueles geradores que não utilizam combustíveis como fonte geradora de calor, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.). Caldeiras de Água Quente: são aqueles em que o fluido não vaporiza, sendo o mesmo aproveitado em fase líquida (calefação, processos químicos). Geradores Reatores Nucleares: são aqueles que produzem vapor utilizando como fonte de calor a energia liberada por combustíveis nucleares (urânio enriquecido). Dentro das Caldeiras de Vapor temos as seguintes classificações: 1) Quanto à posição dos gases quentes e da água: - Aquatubulares (Aquotubulares) - Flamotubulares (Fogotubulares, Pirotubulares) 2) Quanto à posição dos tubos: - Verticais - Horizontais - Inclinados 3) Quanto à forma dos tubos: - Retos - Curvos 4) Quanto à natureza da aplicação: - Fixas - Portáteis - Locomóveis (geração de força e energia) - Marítimas 30 Como se pode observar existe várias classificações de caldeiras de vapor, a escolha de um tipo se faz principalmente em função de: · Tipo de serviço · Tipo de combustível disponível · Equipamento de combustão · Capacidade de produção · Pressão e temperatura do vapor · Outros fatores de caráter econômico Mas, de forma geral, as caldeiras possuem os seguintes elementos que a caracterizam (Figura 18): 31 1) Pressão de Regime: a máxima pressão de vapor, considerada como limite superior quando do projeto. 2) Pressão de Prova: pressão de ensaio hidrostático a que deve ser submetido à caldeira 3) Capacidade de Evaporação: são as partes metálicas em contato, de um lado com a água e vapor da caldeira e, do outro, com os produtos da combustão. A medição desta área se faz pelo lado exposto às chamas. 4) Superfície de Grelhas ou Volume da Fornalha: juntamente com o item anterior, determina a potência da caldeira. Maior será a potência quanto maior for o volume da caldeira. 32 Figura 18 - Caldeira Aquotubular, Fixa, Vertical Podem ser constituídos de várias formas, sendo os mais usados os de eletrodos e o sistema de bóia. Fusível Térmico (tampão): consiste de um parafuso com um furo no centro, sendo este preenchido com uma liga de metal de baixo ponto de fusão. É instalado num ponto abaixo do qual a água não pode ficar. Se ocorrer o problema, a temperatura do material aumenta, provocando a fusão do metal de preenchimento e dando passagem para a água, que apagará o fogo da fornalha. Indicadores de Pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para medir a pressão de líquidos, gases e vapores. Injetor de Água: é um dispositivo destinado à alimentação de água, como alternativa em caso de falha nas bombas. Seu funcionamento é baseado no escoamento de vapor, proveniente da própria caldeira através de uma série de tubos, convertendo a energia do vapor em energia cinética criando uma depressão suficiente para succionar a água e pressurizá-la até o nível de operação da caldeira. Pressostatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de trabalho das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor. Purificadores de Vapor: são dispositivos auxiliares que tem a finalidade de minimizar o arraste de umidade, sais e sólidos em suspensão. Válvulas de Segurança: têm como função promover o escape do excesso do vapor caso a pressão de trabalho venha a ser ultrapassada e os outros dispositivos não atuem. Válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido . Tipos de Válvulas De retenção: colocadas nas linhas de vapor e óleo para evitar o refluxo; De extração de fundo (dreno): permite a retirada de impurezas da água que se deposita no fundo do tambor de vapor; De descarga lenta: tem como função assegurar uma perfeita vedação no sistema; Solenóide: comandada eletricamente, abre ou fecha a passagem de um fluido; De alívio: para retirar o excesso de pressão no aquecedor de óleo das caldeiras; De escape de ar: controla a saída ou entrada de ar na caldeira, no início e no fim das operações; De serviço: tem seção correspondente a 10% da válvula principal. Tem como função garantir o acionamento de órgãos da caldeira (injetor, aquecimento de óleo, água, etc.); Visor de Nível: é um tubo de vidro colocado no tambor de vapor, que tem por finalidade dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da caldeira. Princípio de Funcionamento Para uma aquotubular: com auxílio de um ventilador, o ar atmosférico passa pelo pré- aquecedor. Já aquecido, o ar vai para a fornalha onde se mistura com o combustível e ocorrendo a combustão. Pelo fenômeno da tiragem, realizado pela chaminé, os gases quentes, produtos da combustão, circulam por todo o gerador até ser lançado na atmosfera. Neste trajeto, ele cede calor 35 para a água dos seguintes modos: aquecendo a água no economizador; vaporizando-a na caldeira; transformando o vapor saturado em vapor superaquecido no superaquecedor. A maior parcela da energia é absorvida nas superfícies expostas diretamente às chamas na câmara de combustão, onde predomina a troca de calor por radiação. Em caldeiras bem dimensionadas, as paredes de água representam menos de 10% da superfície de troca de calor total e são capazes de absorver até 50% da energia liberada na combustão. Nas partes posteriores da caldeira, os gases fornecem calor por convecção e radiação gasosa (Figura 19). Figura 19 - Caldeira Flamotubular Vertical 36 Descrição 1. Cinzeiro 17. Tampas de limpeza 2. Bomba de água 18. Manômetro com sifão 3. Grelha plana 19. Válvula principal de vapor 4. Registro de purga 20. Espelho superior 5. Parede interna 21. Visor de nível 6. Fornalha imersa 22. Placa de identificação 7. Casco cilindrico 23. Registro de alimentação de água 8. Isolamento térmico (lã de rocha) 24. Válvula de retenção 9. Tampa de inspeção 25. Registro de vapor 10. Tubos de gases 26. Injetor de água a vapor 11. Válvula de segurança com alavanca |27. Espelho inferior 12. Coletor de fuligem 28. Câmara de água 13. Chaminé 29. Tampa de carga 14. Duto de gases 30. Peneira de sucção 15. Defletor de gases 31. Porta do cinzeiro (regulador de ar) 16. Coletor de gases 37 ISOLAMENTO TÉRMICO  Minimiza os fluxos de calor, visando maior eficiência do equipamento/sistema (economia de energia)  Evita condensação (superfícies frias) GEOMETRIA Do ponto de vista da geometria da situação física, têm-se duas classes de problemas:  Superfícies planas (superfícies de câmaras frigoríficas, de refrigeradores, freezers, balcões, dutos de ar condicionado de seção retangular, etc.)  Superfícies cilíndricas (tubulações em geral) SUPERFÍCIES PLANAS Cálculo para um fluxo de calor máximo admissível 1. a partir dos catálogos do fabricante, identifique o valor da condutividade térmica “k” do material isolante escolhido; 2. a partir do projeto, ou das condições observadas, identifique as temperaturas dos meios em cada lado da superfície: Text (temperatura externa), e Tin (temperatura do meio refrigerado).A temperatura externa vai, logicamente, depender de onde o equipamento estiver localizado. Se estiver ao ar livre (por exemplo, câmara frigorífica), a temperatura externa deve ser o mesmo valor recomendado pelas normas de projeto, ou seja, as temperaturas máximas médias de verão (caso mais crítico) para cada localidade ou região geográfica. Utilize os valores apresentados na Tabela 2 (Anexos, ao final deste texto). No caso de um equipamento localizado no interior de uma edificação não climatizada, podem-se utilizar como regra geral, valores 3°C abaixo dos valores indicados na Tabela 2. Na realidade, no caso de um ambiente mal ventilado, ou com muita geração de carga térmica, muito provavelmente este ambiente atingirá temperaturas tão altas quanto às temperaturas de verão estipuladas na Tabela 2. Portanto, é necessário atenção do projetista neste aspecto. Já a temperatura interna vai depender, obviamente, do tipo de produto a ser armazenado (a Tabela 4, ao final do texto, apresenta informações a respeito das condições de armazenagem de diversos tipos de produtos). 3. a partir do projeto, identifique o valor do fluxo de calor máximo ( max) admitido para a aplicação em questão (ou a máxima taxa de transferência de calor permissível, max ); Caso 40 a informação sobre fluxo de calor não esteja disponível, pode-se utilizar os seguintes parâmetros: TABELA 1 SITUAÇÃO q[ W/m² câmaras frigoríficas, boa qualidade < 9 câmaras frigoríficas, qualidade aceitável < 14 equipamentos frigoríficos em geral, localizados em ambientes internos < 10 4. a partir dos dados obtidos em (b), calcule o valor do coeficiente global de transferência de calor necessário, utilizando as equações: Onde: 5. Determinar os coeficientes de convecção “hext” e “hint”, utilizando as tabelas fornecidas; 6. A partir do valor calculado de “U”, determine a espessura necessária do isolante “L”, a partir da equação: ·. Lembre-se que, na equação para o “U”, devem existir tantos parâmetros L/K quantas forem as “camadas” de diferentes materiais presentes no arranjo físico; entretanto, para materiais não-isolantes (k > 0,8 W/m.K), o parâmetro perde significância e pode ser desprezado. 7. Volta-se aos catálogos do produto escolhido, e escolhe-se o produto com espessura igual ou imediatamente superior ao valor calculado no item (f); 8. Se for necessário realimentar os dados de projeto, recalcula-se a taxa de transferência (ou fluxo de calor) resultante, utilizando a espessura de isolante selecionada no item (f); Em alguns casos, os catálogos de fabricantes trazem, para cada tipo de material e espessura de isolamento, o valor da resistência térmica (“Rt”), por m² de área. Neste caso, para simplicidade de cálculo, pode-se fazer o seguinte. A partir dos 41 dados de projeto identificados no item (b), calcule a resistência térmica necessária, pela seguinte equação: Volta-se ao catálogo, e seleciona-se o produto com a resistência igual ou imediatamente superior ao valor calculado pela equação acima. Se necessário, recalcula-se o fluxo de calor e a taxa de transferência de calor resultante, para a resistência térmica do isolante selecionado. SUPERFÍCIES CILÍNDRICAS Nas paredes cilíndricas, conforme ilustrado na figura abaixo, a área de troca de calor não é constante, variando com o raio (r). Admitindo T 1 > T2, o fluxo de calor será de dentro para fora, radial. Aplicando a equação básica para transmissão de calor condução de Fourier, temos: Realocando os termos da equação: Integrando-se, invertendo os limites da integral no segundo membro da equação, temos: Admitindo que o processo se dê em regime estacionário/permanente, as temperaturas (propriedade intensiva do sistema) na face interna e externa do tubo não variam com o tempo, logo o fluxo de calor Q é constante no sistema. Adotamos o coeficiente de condutibilidade térmica médio em nossas aplicações, de tal modo, podemos considerá-lo constante. Com base nessas considerações realocando os termos da equação, temos: 42 Admitindo que o processo se dê em regime estacionário/permanente, o fluxo de calor será único e constante, pois o fluxo de calor Q1 que flui através da película interna terá a mesma que o fluxo de Q2 que flui através da parede cilíndrica, portanto Q1= Q2= Q3= Q. Isolando as diferenças de temperatura e somando as equações, temos: Colocando em evidência o termo 2π L presente nas três parcelas no segundo membro da equação, temos: Isolando o fluxo de calor, temos: Denomina-se coeficiente global de transferência de calor para paredes cilíndricas Ucilíndricas, a parcela: 45 Portanto, a equação que determina o fluxo de calor contemplando o efeito combinado (condução e convecção) em uma parede cilíndrica, pode ser expressa conforme segue: 46 Conclusão Nesse trabalho verifica-se que a termodinâmica envolve tudo o que nos cerca, a termodinâmica nos ajuda em quase todas as nossas atividades. Apesar disso a termodinâmica não e tão simples, para entendê-la necessita- se de muito conhecimento e percepção para saber onde cada fórmula deve ser usada e como deve ser usada. Tais fórmulas fazem com que se chegue aos resultados necessários para se calcular força, calor, energia e outros. Podemos verificar que a termodinâmica nos proporciona não apenas trabalho e forças positivas, também é através dela que chega- se a fontes de isolamento calorífico, de resfriamento superficial e outros. 47