Aula de Refrigeração.

Gás refrigerante Se a pressão exercida na superfície de um corpo líquido for reduzida, este passará ao estado gasoso mais facilmente, requerendo neste caso uma quantidade menor de calor para evaporar. Por isso uma das primeiras etapas cumpridas no desenvolvimento dos sistemas de refrigeração foi encontrar o fluído cujo ponto de evaporação é mais baixo do que o da água. Esta característica foi encontrada nos chamados "líquidos refrigerantes". O gás CFC-12 (R12) era um dos mais usados até ser proibido pelo elevado poder destrutivo do ozônio atmosférico (encarregado de interceptar a maior parte das radiações ultravioletas). O gás HCFC-22 (R22) consegue a combinação de ótimas características químicas e físicas a um elevado rendimento volumétrico, sendo usado nas instalações de climatização de baixa a médias potencia. Também este gás está sob observação em consideração ao ambiente. O gás CFC 114, é usado nos compressores centrífugos nas instalações de climatização. O gás CFC 502, é uma mistura que não muda nem a sua composição volumétrica nem a sua temperatura de saturação durante a evaporação, e evapora em temperaturas inferiores em relação a outros gases é usado nos compressores herméticos. Conhecidos na realidade doméstica como “gás de geladeira”, os agentes refrigerantes são substâncias que absorvem grande quantidade de calor ao passarem do estado líquido para o gasoso. A absorção depende de uma fonte extra para efetuar a troca de calor (água ou o ar) e ocorre justamente com a mudança de fase do fluido. Inicialmente, os refrigerantes mais usados eram a amônia, o dióxido de carbono, dióxido de enxofre e cloreto de metila. Em 1931, o setor conheceu os refrigerantes de fluorcarbono, fabricados pela DuPont. No ano seguinte, o cientista Thomas Midgely Jr. inventou o refrigerante 12, mais conhecido como Freon 12, ou o famigerado clorofluorcarbono (CFC). Este tem a característica de ser endotérmico – capacidade de regular sua própria temperatura de acordo com a interação com o meio – quando expande ou quando vaporiza. Além disso, não é inflamável, não é explosivo, não é tóxico e não corrói metais. No final da década de 80, um golpe esfriou o entusiasmo dos adeptos do CFC e outros. Evidências científicas ligaram os produtos de fluorcarbonos a buracos na camada de ozônio, importante barreira ao excesso de radiação solar ultravioleta na superfície terrestre. Foi aprovado em âmbito internacional a nocividade dos CFC e de HCFC, ao ponto que o protocolo de Montreal de 1992 decidiu proibi-los e subseqüentemente interromper sua produção. Em pesquisa de refrigerantes substitutos nos endereçada à categoria dos hidrocarbonetos (HC) esses resultam inócuos para o ambiente mas são extremamente inflamáveis e portanto são pouco adaptados às civis; à categoria dos refrigerantes naturais (amônia) apresentam boas propriedades termodinâmicas, baixa inflamabilidade, mas elevada toxicidade, enfim à categoria dos hidro-fluorcaburetos (HFC) que não têm o impacto no ozônio estratosféricos, mas aumenta a poluição do ar (quantidades de CO² no ar). O gás HFC 134a (R134a) substitui o CFC-12 na refrigeração civil, seu impacto é baixo no ozônio, mas não é adaptado para os sistemas de climatização. A substituição do R22 recorre-se ao gás HFC 407C (R407c) ou ao HFC 410A (R410a), mas em ambos os casos são necessários uma conversão das instalações de refrigeração e de ar-condicionado. Além destes, pode ser usado também o gás HFC 404A (R404A) que, porém, apresenta um potencial de superaquecimento global entre os mais elevados da categoria dos hidrofluorcarburetos.

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Introdução. Sabe-se que para uma substância passar do estado líquido para o estado de vapor é necessário fornecer-lhe calor durante certo tempo, até atingir a temperatura de evaporação da substância. Esse é o princípio básico da refrigeração, ou seja, toda substância ao evaporar rouba calor. O fluxo de calor sempre ocorre de uma fonte mais quente para uma mais fria, e nunca ao contrário, como rege a 2º lei da Termodinâmica. Sendo assim, quanto maior for a diferença de temperatura entre essas duas fontes, maior será o fluxo de calor. Em refrigeração, é de grande importância que esse transporte de calor ocorra de modo eficiente, melhorando assim o desempenho do refrigerador. Tipos de sistema: Ciclo de absorção É similar em certos aspectos ao ciclo de compressão de vapor. Um ciclo de refrigeração irá operar com o condensador, a válvula de expansão e o evaporador, se o vapor de baixa pressão do evaporador puder ser transformado em vapor de alta pressão e entregue ao condensador. O sistema de compressão de vapor usa um compressor para esta tarefa. O sistema de absorção primeiro absorve vapor de baixa pressão em um líquido absorvente apropriado. Incorporado no processo de absorção há a conversão de vapor em líquido, desde que esse processo é similar ao de condensação, o calor precisa ser rejeitado durante o processo. O passo seguinte é elevar a pressão do líquido com uma bomba, e o passo final é liberar o vapor do líquido absorvente por adição de calor. A refrigeração por compressão: É muito utilizada atualmente em diversas aplicações como em residências, comércios, transportes, etc. O seu princípio de funcionamento objetiva, como qualquer sistema de refrigeração, a retirada de calor de um recinto fechado e o transporte para o exterior, produzindo assim o efeito desejado tal como congelamento ou resfriamento. É de extrema importância o conceito da eficiência que o equipamento pode alcançar em pleno funcionamento, pois, quanto maior for essa eficiência menor será o consumo de energia elétrica, a dependência dessa energia pode ser considerada uma das grandes desvantagens desse sistema de refrigeração no momento apesar dos grandes esforços que os fabricantes realizam para minimizar esse consumo. Ciclo de Compressão O ciclo de refrigeração por compressão pode ser estudado em seus diversos pontos pelo que chamamos de ciclo saturado simples. Através dele podemos acompanhar o desempenho de um equipamento de refrigeração, sabendo o que é preciso para melhorar sua eficiência. O ciclo pode ser acompanhado, começando com o refrigerante que é comprimido no compressor no estado de vapor, tendo sua pressão e sua temperatura aumentadas e seguindo diretamente para o condensador. Aqui, o calor retirado da câmara é rejeitado para o exterior, causando assim a mudança para a fase líquida, indo agora para o dispositivo de controle (tubo capilar ou válvula de expansão). Esse dispositivo provoca uma queda de pressão e faz cair também a temperatura, temperatura essa correspondente à de evaporação do refrigerante no evaporador. Em seguida o refrigerante, entrando no evaporador, está evaporando na temperatura desejada do projeto, ocorrendo assim o fluxo ideal de calor da câmara para o evaporador. Esse calor é transportado pelo refrigerante que está sempre em circulação indo diretamente em seguida para o compressor, iniciando novamente mais um ciclo. Como Funciona um sistema de Refrigeração. Um sistema de refrigeração é composto basicamente por: - Compressor. - Evaporador (Congelador) - Condensador (Radiador) - Válvula Descompressora (Tubo Capilar ou Válvula de Expansão) - Filtro secador. - Fluido refrigerante (Gás) Funcionamento de cada componente de um sistema de refrigeração *O compressor (motor). O compressor de um sistema de refrigeração funciona como um motor à combustão, mas no sentido inverso, em vez do movimento do gás movimentar o motor, é o compressor é que movimenta o gás; um compressor é idêntico ao motor à combustão. Basicamente o motor elétrico aciona o pistão que comprime o gás na camisa e abre a válvula de alta, depois o pistão é puxado e a válvula de baixa abre e o gás entra na camisa assim continuamente até que o motor elétrico seja desligado. Sua função é circular o gás no sistema, e causar uma diferença de pressão no sistema; entre o evaporador e o condensador. *O Evaporador (Congelador) O Evaporador é basicamente uma serpentina de Cobre ou Alumínio ou às vezes de ferro. Sua função é evaporar o fluido que está dentro dele, e retirar o calor do ambiente. Exemplo: um fluido refrigerante que é usado na geladeira o "R12" a uma pressão de "zero PSI" ele expande a uma temperatura de -30ºC, ou seja, 130ºC menos que a água. Assim o evaporador está com o fluido dentro dele a uma temperatura de -30ºC, em quanto que o ambiente que ele está, está a uma temperatura bem maior que ele; exemplo: dentro de uma geladeira o ar fica em torno de 5ºC, ou seja, uma diferença de 35ºC, isso faz com que o fluido ferva e evapore transformando o fluido de liquido para gasoso, e então o compressor puxa esse gás mantendo a pressão sempre baixa dentro do evaporador. *O Condensador (Radiador) O Condensar é basicamente igual ao evaporador só não pode ser feito de alumínio. Sua função é inversa do evaporador ele tem como objetivo condensar o gás evaporado no evaporador. O compressor comprime o gás dentro do condensador, isso faz com que a pressão do gás aumente, ai entra aquela lei de pressão e temperatura, quanto maior a pressão maior a temperatura, como a pressão está dentro do condensador então a temperatura também está alta. Exemplo: dentro de um condensador de geladeira a pressão chega a 150 PSI isso faz com que o gás fique a uma temperatura de 45ºC, considerando que a temperatura ambiente seja 20ºC então temos uma diferença de 25ºC isso faz com que o gás esfrie e condense. *Válvula Descompressora (Tubo Capilar ou Válvula de Expansão) A válvula Descompressora é simplesmente um dispositivo que liga o condensador ao evaporador, e sua função é controlar o fluxo de Fluido no sistema, no caso da geladeira é simplesmente um tubo super fino (Tubo Capilar), em sistemas grandes é usado a válvula de expansão que ajusta automaticamente a quantidade de Fluido que circula pelo sistema, conforme sua necessidade. *Filtro secador. O Filtro secador tem a função de desidratar o sistema para que a pequena quantidade de água que pode ficar dentro do sistema quando ele é montado, não enferruje o compressor ou entupa o tubo capilar, e também para reter algumas partículas sólidas que circulam pelo sistema. Ele fica instalado entre o condensador e a válvula Descompressora. *Fluido refrigerante (Gás) O Fluido Refrigerante é o gás. Sua função é transportar o calor do evaporador para o condensador. Montando o sistema veja na figura abaixo como ele fica: 1) Compressor. 2) Condensador. 3) Evaporador. 4) Válvula Descompressora (Tubo Capilar) 5) Filtro secador O Compressor retira o gás do evaporador e manda para o condensador, como o tubo capilar está no final do condensador, então a passagem do gás fica difícil isso acumula gás dentro do condensador e aumenta a pressão fazendo o gás esfriar e condensar, liberando toda energia Térmica, que estava no gás, para o ambiente. O Fluido já condensado passa pelo filtro secador e segue controlado para o evaporador, onde ele perde a pressão e a temperatura, isso faz com que ele ganhe Calor e evapore, o gás é puxado pelo compressor, e é repetido o ciclo novamente. Essa aula foi adaptada da Pesquisa de Suelane S. Oliveira.

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Conceitos Fundamentais. Esta aula 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 fluidos 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. 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. 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 conveniente definir uma nova propriedade termodinâmica chamada “entalpia”, a qual é representada pela letra h. Matematicamente, tem-se: h = u + p v 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. 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. f(P, v, T) = 0 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: P v = RT 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. Embora a Eq. seja para gás ideal ela representa satisfatoriamente gases reais quando estes estão a pressões relativamente baixas. Um outro exemplo de equação de estado é a que é usada para relacionar as propriedades termodinâmicas dos refrigerantes compostos de hidrocarbonetos fluorados (CFCs).

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O que é BTU e Tabela de Medidas O que é BTU/h? BTU/h significa Unidade Térmica Britânica por hora. É a unidade mais utilizada no Brasil para se definir a capacidade térmica de um equipamento. 12.000 BTU/h = 1 TR. Para que você tenha uma idéia de qual é o aparelho melhor adaptável ao seu imóvel, estima-se que, um ambiente com área de 6 m², como uma sala de um apartamento, é aconselhável uma oferta de 7.500 BTU's (British Thermal Unity - unidade britânica de medida térmica) de ar frio para deixar a temperatura do espaço confortável para duas pessoas. Essa carga térmica foi calculada para uma instalação em um andar intermediário do imóvel e, para cada pessoa a mais no ambiente, deve ser acrescentado 600 BTU/h. A tabela abaixo demonstra a quantidade de BTU por metragem do ambiente, sempre considerando a presença de duas pessoas. A cada pessoa a mais, deve-se utilizar a regra de aumentar 600 BTU/h. Metragem do Ambiente Sol de Manhã Sol à Tarde ou o Dia Todo 10 m2 7.500 BTU's 7.500 BTU's 12 m2 7.500 BTU's 10.000 BTU's 15 m2 10.000 BTU's 10.000 BTU's 20 m2 12.000 BTU's 12.000 BTU's 25 m2 12.000 BTU's 15.000 BTU's 30 m2 15.000 BTU's 18.000 BTU's 40 m2 18.000 BTU's 21.000 BTU's 50 m2 21.000 BTU's 30.000 BTU's 60 m2 21.000 BTU's 30.000 BTU's 70 m2 30.000 BTU's 30.000 BTU's Fonte: Consul

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EQUIPAMENTOS DE SOLDAGEM PORTA-ELETRODOS Os porta-eletrodos servem para a fixação e energização do eletrodo. É fundamental a correta fixação e boa isolação dos cabos para que os riscos de choque sejam minimizados. As garras devem estar sempre em bom estado de conservação, o que ajudará a evitar os problemas de superaquecimento e má fixação do eletrodo, podendo vir a soltar-se durante a soldagem. Um porta-eletrodo é dimensionado para trabalhar em uma determinada faixa de diâmetros. Esta limitação vem não só da abertura máxima nas garras para encaixar o eletrodo, como também, e principalmente, pela corrente máxima que pode conduzir. Um porta-eletrodo para ser utilizado em valores de corrente mais elevados, necessita ser mais robusto, o que fará com que seu peso aumente. Como o peso é um fator determinante na fadiga do soldador, deve-se sempre procurar especificar o menor porta- eletrodo possível, para a faixa de corrente que se pretende trabalhar. CABOS FLEXÍVEIS Os cabos transportam a corrente elétrica da fonte de energia ao porta-eletrodo (cabo de soldagem), e da peça de trabalho para a fonte de energia (cabo de retorno) para possibilitar a soldagem. Os cabos podem ser de Cobre ou de Alumínio, devem apresentar grande flexibilidade de modo a facilitar o trabalho em locais de difícil acesso. É necessário que os cabos sejam cobertos por uma camada de material isolante, que deve resistir entre outras coisas à abrasão, sujeira e um ligeiro aquecimento que será normal devido a resistência à passagem da corrente elétrica. Os diâmetros dos cabos dependem basicamente dos seguintes aspectos: *Corrente de soldagem, *Ciclo de trabalho do equipamento, *Comprimento total dos cabos do circuito e *Fadiga do operador Estes quatro ítens atuam de maneira antagônica. Enquanto que para os três primeiros seria ideal o cabo com o maior diâmetro possível, (menor chance de superaquecimento para os dois primeiros e menor perda de corrente para o terceiro) no último ítem é exatamente o oposto, pois ocorre aqui o mesmo que com os porta- eletrodos, um cabo resistente a maiores valores de passagem de corrente é consequentemente mais robusto e por sua vez mais pesado causando com isto maior fadiga ao soldador.

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O processo de soldagem por arco elétrico com eletrodo revestido consiste, basicamente, na abertura e manutenção de um arco elétrico entre o eletrodo revestido e a peça a ser soldada. O arco funde simultaneamente o eletrodo e a peça. O metal fundido do eletrodo é transferido para a peça, formando uma poça fundida que é protegida da atmosfera (O2 e N2) pelos gases de combustão do revestimento. O metal depositado e as gotas do metal fundido que são ejetadas, recebem uma proteção adicional através do banho de escória, que é formada pela queima de alguns componentes do revestimento. INFLUÊNCIA DA ATMOSFERA NA POÇA DE FUSÃO A menos que se solde em uma câmara de vácuo, o que é impensável devido ao custo, todos os processos de soldagem por arco elétrico precisam de algum tipo de proteção para evitar contaminações da atmosfera. No caso do processo de soldagem aqui estudado, será o revestimento dos eletrodos que, entre outras coisas, produzirá uma proteção gasosa através de sua queima. Antes do estudo propriamente dos revestimentos e suas funções, são apresentados os inconvenientes da soldagem com arames sem revestimento (e sem proteção gasosa). Um eletrodo sem revestimento e sem nenhum outro tipo de proteção, após sua fusão perde parte de seus elementos e deposita um metal nitretado e oxidado, cujo valor das propriedades mecânicas serão relativamente inferiores as das chapas de aço doce. Estes dois elementos químicos (Nitrogênio e Oxigênio), são os principais para influenciar a deterioração das propriedades, e são detalhados a seguir: OXIGÊNIO É provado que, durante a fusão de um eletrodo sem revestimento, a maior parte do Carbono e do Manganês contidos no aço do eletrodo, são queimados durante a operação de soldagem, o que naturalmente irá influenciar as propriedades mecânicas do metal depositado, já que as propriedades de um aço dependem basicamente, do seu teor de Carbono e Manganês. O Carbono transforma-se em óxido de Carbono (CO), e em dióxido de Carbono (CO2), enquanto o Manganês, transforma-se em óxido de Manganês (Mn3O4). O Silício, extremamente ávido pelo Oxigênio, queima-se igualmente, dando origem a uma escória de sílica (SiO2). Numerosos ensaios permitem concluir que a fusão de um eletrodo sem revestimento e sem a adição de nenhum outro tipo de proteção, provoca uma forte oxidação do Carbono, Manganês e Silício Outras reações químicas são menos importantes. Os teores de Enxofre (S) e de Fósforo (P), variam pouco. É importante salientar que, os fenômenos de oxidação dependem basicamente das condições operatórias e do comprimento do arco. Um arco longo (tensão elevada) conduzirá a reações de oxidação mais importantes do que um arco curto. Além disto, as características da fonte de alimentação elétrica (corrente contínua ou alternada), desde que forneçam condições para um arco estável, não terão grande influência sobre estes fenômenos. Aqui vale a pena destacar que não é possível soldar com eletrodo sem revestimento em corrente alternada com as fontes de soldagem convencionais, a menos que se recorra a uma ionização artificial, através de uma faísca piloto. Além destas reações químicas, o Oxigênio do ar pode ter uma ação direta sobre o Ferro. Ele pode, durante a sua transferência para o metal de base e ao nível do banho de fusão, formar sobre as gotas uma película de óxidos. Este óxido formado tem a solubilidade muito baixa (0,05%) no metal. As partículas de óxido serão postas em evidência em metalografia, devido a precipitarem entre os cristais sobre a forma de FeO quando o grão é saturado de óxido. O Oxigênio dissolvido no aço sob a forma de óxido, é muito difícil de dosar pelos métodos de análise tradicionais. NITROGÊNIO Embora nas operações normais o Nitrogênio não tenha grande afinidade com o Ferro, nas altas temperaturas do arco elétrico há a possibilidade de formação de nitrato de Ferro. Mesmo que, a quantidade deste nitrato formado seja normalmente muito pequena, ele tem graves consequências porque tornará a solda frágil, diminuindo a resiliência do metal depositado. O Nitrogênio combinado, é difícil de identificar principalmente porque não aparece sobre a forma de nitrato, e sim sob a falsa aparência de perlita não identificavel ao microscópio. Diversos trabalhos mostram que a presença destes nitratos aumenta substancialmente a dureza, aumenta em menor quantidade a resistência à tração, mas diminui rapidamente o alongamento a ruptura e a estricção, a resistência à fadiga e a resiliência. Em suma, quando o teor de Nitrogênio ultrapassa o valor de 0,03% há uma diminuição nos valores das propriedades mecânicas.