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Refrigeracao e Ar CondicionadoRevisao
Filipe Fernandes de [email protected]
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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