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UFBA – Universidade Federal da Bahia DEM – Departamento de Engenharia Mecânica

ENG176

Prof. Dr. Marcelo José Pirani

UFBA – Universidade Federal da Bahia DEM – Departamento de Engenharia Mecânica

CAPÍTULO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS1
1.1 – Introdução1
1.2 – Definições1
1.3 – Propriedades Termodinâmicas de uma Substância3
1.4 – Equações de Estado4
1.5 – Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos Frigoríficos5
1.6 – Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes6
1.7 – Primeira Lei da Termodinâmica8
1.8 – Transferência de Calor10
1.8.1 – Transferência de calor por condução1
1.8.2 – Transferência de calor por convecção12
1.8.3 – Transferência de calor por radiação13
1.8.4 – Analogia entre fluxo de calor e elétrico14
1.8.5 – Coeficiente global de transferência de calor15
1.8.6 – Diferença de temperatura média logarítmica16
CAPÍTULO 2 – CICLOS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR19
2.1 – Introdução19
2.2 – Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor20
2.3 – Ciclo Real de Compressão de Vapor21
2.4 – Balanço de Energia para o Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor2
2.4.1 – Capacidade frigorífica23
2.4.2 – Potência teórica de compressão23
2.4.3 – Calor rejeitado no condensador24
2.4.4 – Dispositivo de expansão25
2.4.5 – Coeficiente de performance do ciclo25
2.5 – Parâmetros que Influenciam o COP do Ciclo de Refrigeração26
2.5.1 – Influência da temperatura de evaporação no COP do ciclo teórico26
2.5.2 – Influência da temperatura de condensação no COP do ciclo teórico27
2.5.3 – Influência do sub-resfriamento do líquido no COP do ciclo teórico28
2.5.4 – Influência do superaquecimento útil no COP do ciclo teórico29
CAPÍTULO 3 – COMPONENTES DOS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO32
3.1 – Compressores32
3.1.1 – Introdução32
3.1.2 – Compressores Alternativos3
3.1.3 – Compressor parafuso43
3.1.4 – Compressor de palhetas4
3.1.5 – Compressores centrífugos46
3.1.6 – Controle de capacidade48
3.1.7 – Compressores Scroll48
3.2 Seleção do Compressor51
3.3 – Condensadores54
3.3.1 – Capacidade dos Condensadores54
3.3.2 – Características dos Condensadores58

ÍNDICE 3.3.3 – Comparação entre os tipos de condensadores....................................................................................................65

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3.4 – Evaporadores68
3.4.1 – Capacidade dos Evaporadores68
3.4.2 – Classificação dos Evaporadores Quanto ao Sistema de Alimentação70
3.4.3 – Classificação dos Evaporadores Quanto ao Fluído a Resfriar72
3.5 – Dispositivos de Expansão81
3.5.1 – Válvula de Expansão Termostática81
3.5.2 – Válvulas de Expansão Eletrônicas87
3.5.3 – Válvulas de Bóia89
3.5.4 – Válvula de Expansão de Pressão Constante90
3.5.5 – Tubos Capilares91
3.6 – Torre de Resfriamento94
3.6.1 – Introdução94
3.6.2 – Tipos de Torres de Resfriamento94
3.6.3 – Torres atmosféricas96
3.6.4 – Torres de Tiragem Mecânica97
3.6.5 – Descrição dos sistemas vinculados a utilização de energia9
3.7 – Acessórios107
3.7.1 – Pressostatos107
3.7.2 – Termostatos107
3.7.3 – Filtros e Secadores108
3.7.4 – Separadores de óleo108
3.7.5 – Válvulas Solenóide109
3.7.6 – Visores de Líquido110
3.7.7 – Reservatórios de Líquidos1
3.8 − Fluidos Refrigerantes1
3.8.1 − Propriedades físicas121
3.8.2 − Características de desempenho dos refrigerantes no ciclo de compressão a vapor122
3.8.3 − Aspectos relacionados à segurança na utilização e manuseio de refrigerantes124
3.8.4 − Compatibilidade com materiais126
3.8.5 − Interação com o óleo lubrificante126
3.8.6 − Comparação entre amônia e refrigerantes halogenados128
3.8.7 − Conversões e Substituições129
3.9 – Isolantes Térmicos131
3.9.1 – Principais Materiais Isolantes131
3.9.2 – Condutividade térmica dos isolantes134
3.9.3 – Resistência à Umidade137
CAPÍTULO 4 – SISTEMAS MULTIPRESSÃO141
4.1 – Introdução141
4.1.1 – Vantagens do sistema multipressão142
4.2 – Separador de Líquido143
4.3 – Separador-Resfriador de Líquido143
4.4 – Resfriamento Entre Estágios144
4.5 – Ciclos de Compressão de Vapor Multipressão145
4.6 – Balanço de Energia Para o Sistema Multipressão147
4.6.1 – Balanço de massa e energia para o separador de líquido de baixa149
4.6.2 – Balanço de massa e energia para o separador de líquido de alta150
4.6.3 – Balanço de energia para os compressores152

i 4.7 – Alguns Exemplos de Sistemas Frigoríficos............................................................................................................ 153

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CAPÍTULO 5 – REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE VAPOR158
5.1 – Introdução158
5.2 – Ciclo de Absorção159
CAPÍTULO 6 – CARGA TÉRMICA161
6.1 – Introdução161
6.2 – Condições Externas de Projeto161
6.3 – Condições Internas de Projeto161
6.4 – Carga Térmica Devido à Transmissão de Calor162
6.5 – Carga Térmica Devido aos Produtos165
6.6 – Carga Térmica Devido à Infiltração de Ar Externo166
6.7 – Cargas Diversas167
6.8 – Carga Térmica Devido aos Motores dos Ventiladores168
6.9 – Capacidade Frigorífica do Compressor169
CAPÍTULO 7 – TESTES E MANUTENÇÃO EM CIRCUITOS FRIGORÍFICOS171
7.1 – Testes de Vazamentos de Refrigerantes171
7.2 – Testes de umidade no circuito172
7.3 – Evacuação do sistema173
7.4 – Carga de óleo175
7.5 – Carga de refrigerante176
7.6 – Medição das pressões de sucção e descarga177
7.7 – Válvulas de expansão178
7.8 – Superaquecimento179
7.9 – Subresfriamento179
7.10 – Filtro secador180
7.1 – Recolhimento do refrigerante ("Pump down")181
7.12 – Limpeza de circuitos frigoríficos182
7.13 – Nível de óleo186
7.14 – Substituição de óleo186
CAPÍTULO 8 – CONSERVAÇÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO188
8.1 Recomendações Gerais189
8.2 – Analisando a Carga Térmica do Sistema191
8.2.1 – Minimizando a carga térmica de câmaras frigoríficas191
8.3 – Aspectos Relacionados Com a Seleção do Sistema193
8.3.1 – Subresfriamento194
8.3.2 – Superaquecimento195
8.4 – Elevação de temperaturas (diferencial fundamental de temperaturas)196
8.4.1 – Seleção do Evaporador196
8.4.2 – Seleção do Condensador197
8.5 – Degelo198
8.6 – Sistemas Anticondensação Superficial199
8.7 – Controle da Pressão de Condensação199
8.8 − Avaliações Quantitativas200
8.8.1 − Perda Devido ao Nível Inadequado de Temperatura (Pt)200
8.8.2 − Perda Devido ao Tipo Inadequado de Iluminação (Pil)201
8.8.3 − Perda Devido a Inexistência de Termostato ou Pressostato (Pit)201
8.8.4 − Perda Devido a Incidência Direta de Raios Solares e Isolamento Deficiente (Pirr)202

i 8.8.5 − Perda por vedação precária das portas e cortinas (Pved)...................................................................................203

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8.9 − Avaliações Qualitativas203
8.10 − Exemplo de Cálculo – 1206
8.1 – Exemplo de cálculo – 221
8.1.1 – Dados da Instalação:21
8.1.2 – Melhorias possíveis213
APÊNDICE217

iv REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................... ............................239

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Capítulo 1 – Conceitos Fundamentais

1.1 – Introdução

Este capítulo tem por objetivo apresentar algumas definições termodinâmicas e as propriedades das substâncias mais usadas na análise de sistemas frigoríficos. Mostrará ainda, as relações entre as propriedades termodinâmicas de uma substância pura, que é o caso dos fluídos frigoríficos. Esta apresentação, contudo, não se deterá em análises termodinâmicas rigorosas, ao contrário, fará apenas uma apresentação superficial de tais definições e das propriedades termodinâmicas e suas inter-relações suficientes para o propósito deste estudo. Também serão apresentados os conceitos básicos relacionados com transferência de calor.

1.2 – Definições

Propriedades termodinâmicas. São características macroscópicas de um sistema, como: volume, massa, temperatura, pressão etc.

Estado Termodinâmico. Pode ser entendido como sendo a condição em que se encontra a substância, sendo caracterizado pelas suas propriedades.

Processo. É uma mudança de estado de um sistema. O processo representa qualquer mudança nas propriedades da substância. Uma descrição de um processo típico envolve a especificação dos estados de equilíbrio inicial e final.

Ciclo. É um processo, ou mais especificamente uma série de processos, onde o estado inicial e o estado final do sistema (substância) coincidem.

Substância Pura. É qualquer substância que tenha composição química invariável e homogênea. Ela pode existir em mais de uma fase (sólida, líquida e gasosa), mas a sua composição química é a mesma em qualquer das fases.

Temperatura de saturação. Este 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. Assim, para a água (utiliza-se a água para facilitar o entendimento da definição dada acima) a 100 oC, a pressão de saturação é de 1,01325 bar, e para a água a 1,01325 bar de

UFBA – Universidade Federal da Bahia DEM – Departamento de Engenharia Mecânica pressão, a temperatura de saturação é de 100 oC. Para uma substância pura há uma relação definida entre a pressão de saturação e a temperatura de saturação correspondente.

Líquido Saturado. Se uma substância se encontra como líquido à temperatura e pressão de saturação, diz-se que ela está no estado de líquido saturado.

Líquido Sub-resfriado. Se a temperatura do líquido é menor que a temperatura de saturação, para a pressão existente, o líquido é chamado de líquido sub-resfriado (significa que a temperatura é mais baixa que a temperatura de saturação para a pressão dada), ou líquido comprimido, (significando ser a pressão maior que a pressão de saturação para a temperatura dada).

Figura 1.1 – Estados de uma substância pura.

Título (x). Quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor, na temperatura de saturação (isto ocorre, em particular, nos sistemas de refrigeração, no condensador e no evaporador), a relação entre a massa de vapor e a massa total, isto é, massa de líquido mais a massa de vapor, é chamada de título (x). Matematicamente, tem-se:

tv vl v m

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Vapor Saturado. Se uma substância se encontra completamente como vapor na temperatura de saturação, é chamada de “vapor saturado”, e neste caso o título é igual a 1 ou 100%, pois a massa total (mt) é igual à massa de vapor (mv).

Vapor Superaquecido - Quando o vapor está a uma temperatura maior que a temperatura de saturação é chamado “vapor superaquecido”. A pressão e a temperatura do vapor superaquecido são propriedades independentes, e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para uma pressão constante. Em verdade, as substâncias que chamamos de gases são vapores altamente superaquecidos.

A Figura 1.1 retrata a terminologia que acabou de ser definida para os diversos estados termodinâmicos em que se pode encontrar uma substância pura.

1.3 – Propriedades Termodinâmicas de uma Substância

Uma propriedade de uma substância é qualquer característica observável dessa substância.

Um número suficiente de propriedades termodinâmicas independentes constitui uma definição completa do estado da substância.

As propriedades termodinâmicas mais comuns são: temperatura (T), pressão (P), volume específico (v) e massa específica (ρ). Além destas propriedades termodinâmicas mais familiares, e que são mensuráveis diretamente, existem outras propriedades termodinâmicas fundamentais para a análise de transferência de calor, trabalho e energia, não mensuráveis diretamente, que são: energia interna (u), entalpia (h) e entropia (s).

Energia Interna (u). É a energia que a matéria possui devido ao movimento e/ou forças intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes:

a) Energia cinética interna ⇒ relacionada à velocidade das moléculas; b) Energia potencial interna ⇒ relacionada às forças de atração entre as moléculas.

As mudanças na velocidade das moléculas são identificadas, macroscopicamente, pela alteração da temperatura da substância (sistema), enquanto que as variações na posição são identificadas pela mudança de fase da substância (sólido, líquido ou vapor).

Entalpia (h). Na análise térmica de alguns processos específicos, freqüentemente são encontradas certas combinações de propriedades termodinâmicas. Uma dessas combinações ocorre quando se tem um processo a pressão constante, resultando a combinação u + pv. Assim é

UFBA – Universidade Federal da Bahia DEM – Departamento de Engenharia Mecânica conveniente definir uma nova propriedade termodinâmica chamada “entalpia”, a qual é representada pela letra h. Matematicamente, tem-se:

vpuh+= (1.2)

Entropia (s). Esta propriedade termodinâmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substância ou, segundo outros, a medida da probabilidade de ocorrência de um dado estado da substância.

Cada propriedade de uma substância, em um dado estado, tem somente um valor finito. Essa propriedade sempre tem o mesmo valor para um estado dado, independentemente de como foi atingido tal estado.

1.4 – Equações de Estado

Equação de estado de uma substância pura é uma relação matemática que correlaciona pressão, temperatura e volume específico, para um sistema em equilíbrio termodinâmico. De uma maneira geral podemos expressar, essa relação na forma da Eq. (1.3).

f(P, v, T) = 0 (1.3)

Existem inúmeras equações de estado, muitas delas desenvolvidas para relacionar as propriedades termodinâmicas para uma única substância, outras mais genéricas, por vezes bastante complexas, com objetivo de relacionar as propriedades termodinâmicas de várias substâncias.

Uma das equações de estado mais conhecidas e mais simples é aquela que relaciona as propriedades termodinâmicas pressão, volume específico e temperatura absoluta para o gás ideal, a qual é expressa por:

TRvP= (1.4) onde P é a pressão absoluta (manométrica + barométrica), v, é o volume específico, R é a constante particular do gás e T é a temperatura absoluta.

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