If you can't read please download the document
Upload
vuongnga
View
218
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Controle Trmico de Ambientes (Fernando Frana, DE FEM Unicamp, [email protected])
Criogenia:
Em meados do sculo XIX o homem descobriu a propriedade criognica
de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido
expanso. E comeou a fazer gelo, industrialmente, em grande escala. A
partir dessa poca, ento, tem incio a atividade comercial de conservao
de alimentos em grande escala. No havia, sequer, os grandes entrepostos
frigorficos, mas sim as fbricas de gelo. Nos setores comercial e
residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservao dos
alimentos em pequena escala.
Os gases refrigerantes usados neste incio da histria da refrigerao
eram a amnia, o dixido de enxofre e o cloreto de metil. A refrigerao
era, assim, um processo perigoso: explosivo, inflamvel e txico! Alm do
que, necessitavam de presso elevada para atingir capacidade criognica
necessria fabricao econmica de gelo. Os compressores frigorficos
de ento, dada a limitao tecnolgica da poca, eram tidos como
mquinas perigosas, sujeitas a exploso. (Imagine se o compressor
frigorfico do ar-condicionado do seu carro estivesse sujeito a explodir!
Poderia causar um estrago similar ao que mostra a figura abaixo!)
Somente em 1932 o cientista Thomas Midgely Jr inventou o Refrigerante
12, mais conhecido como Freon 12. O Freon 12 um cloro-flor-carbono
(CFC) que tem a caracterstica de ser endotrmico quando expande ou
quando vaporiza. O Freon no inflamvel, no explosivo, no txico
e no corroi metais. A presso necessria para que suas propriedades
criognicas ocorram com transferncia aprecivel de calor para ser
aplicada praticamente, era bem inferior requerida pelos gases
refrigerantes conhecidos at ento. Enfim, um gs ideal,
maravilhoso. Isto , at descobrirem que o Freon destri o oznio da
atmosfera, to importante para barrar o excesso de radiao solar ultra-
violeta na superfcie da Terra:
O3 + UV = O2 + O
O excesso de radiao UV deteriora a viso dos seres, altera a fotossntese
de vrios cultivares, como a soja, o feijo, de hortalias, como o repolho,
alm de intensificar o desenvolvimento de cncer de pele nos seres
humanos.
E o Freon, nessas alturas, j era usado para outros fins:
Freon 11 (CFC-11) >> produo de espumas de poliestireno
Freon 12 (CFC-12) >> ciclos de refrigerao
Freon 13 (CFC-13) >> limpeza de circuito eletrnico
Soluo:
Usar outros gases refrigerantes, o hidro-cloro-fluor-carbono HCFC e
o isobutano, por exemplo.
Banimento dos CFCs:
Regulao a nvel mundial >>Protocolo de Montreal!!
O Ciclo de Refrigerao
Os ciclos de refrigerao, isto , ciclos termodinmicos de fluidos
refrigerantes em equipamentos frigorficos por compresso de vapor, so
adequadamente representados em diagramas P x h (presso-entalpia,
diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).
Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22)
Observe, no diagrama de Mollier, as regies de lquido sub-resfriado,
esquerda de x = 0, de vapor mido, 0 < x < 1, no envelope, e vapor super-
aquecido, direita de x = 1.
O ciclo de compresso de vapor o mais utilizado em equipamentos
frigorficos para produo de frio: para conforto trmico ambiente e para
resfriamento e congelamento de produtos.
Frigorfico de produtos por compresso de vapor por expanso direta
O esquema acima representar um sistema frigorfico para produtos: os
ovos esto na cmara frigorfica, que mantida temperatura baixa pela
troca de calor que ocorre no evaporador. O evaporador um trocador de
calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na cmara,
movimentado pela ao do ventilador. No evaporador ocorre a
evaporao do fluido refrigerante, idealmente um processo isobrico (na
realidade, com pequena variao de presso). Ainda no interior da
cmara, prximo do evaporador, est o dispositivo de expanso (a vlvula
termosttica). Este ento um dispositivo frigorfico de expanso direta:
a expanso ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da cmara
esto o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares,
como o vaso acumulador e o filtro). Esse exatamente o esquema de uma
geladeira comum, por compresso de vapor.
Outras possibilidades de sistemas frigorficos (geladeiras,
condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) so as de ciclo
de gs (no h mudana de fase), absoro (veremos rapidamente mais
frente) e a de efeito Peltier (h alguma informao sobre o efeito Peltier
no texto de temperatura em http://www.fem.unicamp.br/~instmed.
http://www.fem.unicamp.br/~instmed
Veja um sistema indireto: o ambiente (ou processo) ser resfriado ou
condicionado for um fluido secundrio, isto , um fluido de transferncia
que no o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo,
o fluido de trabalho resfriado pelo refrigerante no evaporador e
transporta o frio para o ambiente adequado. Um tal sistema
conhecido no meio tcnico como chiller, do ingls, isto , um resfriador.
Esquema de um chiller de gua
Neste chiller mostrado na figura acima, o refrigerante circula do
compressor para o condensador, passa pelo vaso acumulador, expande-se
na vlvula de expanso termosttica, evapora-se no evaporador,
retirando calor de um fluxo de gua. esta gua resfriada que ser
utilizada no processo para resfriar um ambiente, um produto, um outro
fluxo de lquido. Assim, este um sistema indireto. A figura mostra duas
possibilidades para a condensao: condensador resfriado a ar (trocador
de tubo aletado, normalmente), ou condensador resfriado a lquido
(geralmente um trocador casco-e-tubo - shell and tube). Quando um
condensador resfriado com lquido usado, a maioria das vezes a gua o
fluido de resfriamento, e uma torre de refrigerao (para resfriar a gua
aquecida no condensador, para que possa ser usada em um circuito
fechado) usada. O evaporador do chiller um casco-e-tubo.
Compressor
Condensador a ar remoto
Vlvulas de Expanso
Evaporadores
A geladeira domstica: um exemplo de ciclo de compresso de vapor
Mas, efetivamente, o que o ciclo frigorfico de compresso de vapor? Ele
consiste de uma srie de processos executados sobre e por um fluido de
trabalho, denominado de refrigerante. A geladeira da sua casa, por
exemplo, e o aparelho de ar condicionado de janela, da sala de aula,
ambos devem funcionar com o Refrigerante 22, o mais comum, tambm
conhecido por Freon 22 (em tempo, ciclos de compresso modernos j
esto utilizando refrigerantes ecolgicos, que no afetam a camada de
oznio da atmosfera pois refrigerantes cloro-fluor-carbonados destroem o
oznio O3 da atmosfera). Assim como o ciclo de compresso de uma
geladeira de boteco, o ar-condicionado de seu carro, o sistema de
condicionamento central de um edifcio, de um shopping center, e
vrios outros, industriais, comerciais e residenciais.
O ciclo constitudo dos seguintes processos:
1. compresso de vapor, isto , um compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potncia a ele;
2. a condensao do vapor, que ocorre no condensador (o trocador de calor direita, na figura acima);
3. a expanso do lquido aps o condensador, que ocorre na vlvula termosttica ou em um tubo capilar;
4. a evaporao do lquido no evaporador.
Como em toda anlise de ciclos, vamos comear analisando um ciclo ideal
de compresso de vapor. Vale lembrar, novamente, que ciclos reais
desviam-se dos ciclos idealizados, isto , o ciclo ideal serve, para nossa
anlise do ciclo real, como uma referncia, um objetivo a atingir (apesar
de inalcanvel, mas engenheiro tem um qu de alquimista, e segue em
frente) , atravs da melhoria de cada processo que o constitui. Veja ento
um ciclo ideal de compresso de vapor, na figura seguinte, representado
esquematicamente e no diagrama de Mollier (P versus h):
Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso
de vapor no diagrama de Mollier
Ciclo de compresso de vapor ideal no diagrama de Mollier
O equacionamento do ciclo ideal: seja a formulao simples da Equao
da Energia, conforme dada abaixo, aplicvel para um sistema em regime
permanente, para um escoamento unidimensional com uma entrada e
uma sada, isto , ms = me = m.
mgVhmgVh ee
s
s
e
2
1e
2
1W
22Qtil
Cada um dos processos que formam o ciclo devem ser analisados
separadamente:
Compresso >> Modelo Ideal do Compressor
No compressor s h um fluxo de entrada e um de sada: me = ms = m.
Vamos desprezar a variao das energias cintica e potencial entre a
entrada e sada do compressor; e vamos admitir que o processo de
compresso adiabtico e reversvel, isto , isoentrpico, veja a figura.
Assim, se o processo ocorre em regime permanente e se W o trabalho
realizado sobre o VC,
mgVhmgVhdE
e
e
s
s
CV
til dt
e
2
1e
2
1W
22Q
mhh 12W
Os estados, representados por nmeros, 1 e 2, esto na figura.
As propriedades do re