Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 9

SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR O conforto térmico no interior das edificações depende de aspectos como radiação solar, posição dos ventos e características climáticas do local, além do posicionamento do edifício, se a incidência de radiação se dá apenas pela manhã ou o dia todo, o tipo de fachada, espessura de paredes, dimensão das aberturas e materiais empregados. Esses dados podem ser equacionados numa estimativa que definirá a capacidade do equipamento de refrigeração recomendado para manter o conforto térmico dos ocupantes do ambiente. É importante destacar que qualquer relação entre a capacidade do sistema de refrigeração e a área a ser atendida serve exclusivamente como referência inicial, uma vez que a especificação correta depende da configuração física do espaço e de sua carga térmica, dado que varia em função da incidência solar e do calor gerado por pessoas e equipamentos. Para que a temperatura seja agradável e exista conforto térmico nos ambientes, recorremos aos sistemas de condicionamento de ar. Os sistemas de condicionamento de ar utilizados nas residências são conhecidos no mercado como aparelhos de “janela”, onde esse sistema apresenta um conjunto compacto, com as serpentinas de evaporação e condensação, montadas próximo ao motocompressor e aos ventiladores, responsáveis pelo deslocamento do ar condicionado para o interior do ambiente e a exaustão do calor da serpentina de condensação, realizando a dissipação, diminuindo a temperatura do fluido refrigerante. O princípio de funcionamento é o mesmo da geladeira. Os condicionadores de ar mais utilizados atualmente são os Split, sistemas de refrigeração destinados à climatização de ambientes, que possuem dois estágios diferentes: um é instalado no interior do ambiente (evaporador) e a outra fica do lado de fora (condensador e motocompressor). Além de manter o ar do ambiente agradável e com a temperatura controlada, os Split ainda reduzem o ruído de operação, já que o condensador e o motocompressor estão localizados na parte externa do ambiente. Possuem sistema de filtragem do ar através de filtros removíveis para limpeza periódica. O ciclo de refrigeração é por compressão de fluido, geralmente o R22, apresentando excelente eficiência, desde que estejam dimensionados respeitando as características do ambiente. Em aplicações comerciais e industriais de grande porte, recorremos aos projetos de refrigeração e climatização, como as centrais de ar condicionado, onde é gerado o ar climatizado e este é deslocado através de dutos para o interior do ambiente. Este sistema de refrigeração recorre ao fornecimento de energia fluídica, gerada por compressores, alimentados por motores elétricos e acionados por correias e polias. As centrais de ar condicionado e as câmaras de refrigeração, por serem sistemas extremamente controlados, com válvulas de expansão monitoradas por CLP, apresentam um rendimento superior e uma economia de energia elétrica considerável. Alguns desses sistemas são também monitorados por pressostatos, que controlam as pressões, mínima e máxima evitando vazamentos ou perdas de fluido refrigerante.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 8

COMPRESSORES, MOTOCOMPRESSORES E VENTILADORES Estas máquinas operatrizes são destinadas a promover o escoamento e o fluxo de um fluido compressível. Funcionam com deslocamento contínuo de gases e vapores, elevando sua energia utilizável, pelo aumento da sua pressão. Os Compressores são utilizados para proporcionar a elevação da pressão de um gás, conseqüentemente, aumentando também seu volume e sua temperatura. Essa compressão pode ocorrer adiabaticamente, quando o fluido se destina a um processo de combustão ou refrigeração, a fim de que resulte na obtenção de uma maior parcela de energia disponível no fluido, após o processo de compressão. Na Refrigeração, o fluido é direcionado para o Condensador, onde tem seu estado alterado em função do calor latente, passando de gasoso superaquecido para liquefeito. No entanto, alguns processos exigem diferentes aplicações, para os gases comprimidos, quando estes são armazenados em vasos de pressão ou reservatórios. Durante esse processo, o fluido gasoso assume uma temperatura mais baixa que a temperatura ambiente, produzindo com isto, um líquido condensado, que deve ser constantemente purgado, para não prejudicar as instalações pneumáticas. Figura 1 – Motocompressor Hermético. Podemos também considerar, os motocompressores herméticos e os compressores como bombas de fluidos, principalmente quando utilizamos estas máquinas para fins de refrigeração, comprimindo fluido refrigerante em estado gasoso. Estas máquinas funcionam como motores de combustão interna, no sentido inverso, recebendo energia eletromecânica e transformando-a em energia térmica, com a compressão do fluido refrigerante que absorve o calor do ambiente refrigerado, numa reação endotérmica que o fluido sofre, ao ser retirado do Evaporador de maneira brusca, pela ação do motocompressor. Os Ventiladores são máquinas destinadas ao escoamento e deslocamento de fluidos gasosos. São elementos indispensáveis ao funcionamento de sistemas de refrigeração e climatização. Com exceção das nossas geladeiras, todos os outros sistemas refrigerados necessitam de auxílio de ventiladores, para deslocar o calor das aletas das serpentinas de condensação para o meio externo. Nos condicionadores de ar e câmaras refrigeradoras, estes elementos desempenham papel muito importante. São responsáveis pela equalização do sistema, auxiliando na transformação do fluido do estado gasoso para o estado líquido e pela circulação do ar refrigerado, forçando a convecção que promove o conforto térmico do ambiente. Figura 2 – Ventiladores, Sopradores e Exaustores. Estas máquinas podem ter diferentes aplicações e apresentarem diferentes identificações por conta de suas operações. Podem ser identificados como ventiladores, sopradores ou exaustores. São máquinas utilizadas para dissipar o calor de ambientes e de máquinas e equipamentos, equalizando o ambiente com o equilíbrio da temperatura.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 7

SISTEMAS DE CONTROLE DA EXPANSÃO DO FLUIDO REFRIGERANTE TUBOS CAPILARES Nos sistemas de pequena capacidade como geladeiras, freezers e aparelhos condicionadores de ar, o dispositivo de expansão do fluido refrigerante utilizado é o tubo capilar. É um tubo de pequeno diâmetro, com determinado comprimento, que fica parcialmente enrolado no bulbo (filtro secador), este tem a função de fazer a ligação entre a saída do condensador e a entrada do evaporador. Essa diferença de diâmetro permite a expansão do fluido em estado líquido, quando este é forçado pelo motocompressor a sair do evaporador, causando uma reação endotérmica, absorvendo o calor do ambiente a ser refrigerado. Os tubos capilares são fabricados de cobre, latão ou ligas mais leve com uma porcentagem de cobre. Quando o motocompressor é desligado, ao atingir a eficiência térmica dos sistemas de refrigeração e climatização, ocorre um equilíbrio entre a pressão alta e baixa do sistema. Por este fato, nos sistemas de refrigeração de pequeno porte, como em nossa geladeira, não existe um reservatório propriamente dito, todo o ciclo de refrigeração é alimentado por uma quantidade mínima e controlada de fluido refrigerante. Essa quantidade é apenas para satisfazer a capacidade de evaporação e manter a vedação do sistema, com uma quantidade de refrigerante líquido entre a saída do condensador e o bulbo. Os tubos capilares apresentam como vantagens o baixo custo, por ser de cobre, a simplicidade por não apresentarem partes móveis, a redução da quantidade e custo do fluido refrigerante, pois descarta a utilização de um reservatório de fluido, o que em caso de um vazamento (entropia), causaria um prejuízo ainda maior. Porém, esse tubo, pode apresentar risco de quebra por ser frágil, além da impossibilidade da regulagem do fluxo do fluido. VÁLVULAS MECÂNICAS As válvulas mecânicas permitem, através do deslocamento de um diafragma, o fluxo do fluido refrigerante para o sistema de refrigeração ou climatização. São também conhecidas como válvulas de equalização interna. Seu acionamento se dá, através da dilatação térmica do mercúrio contido em um bulbo, que fica em contato com o evaporador. Na outra extremidade, temos o mercúrio em contato com uma lâmina, que controla o fluxo do fluido, abrindo ou fechando a válvula, de acordo com a eficiência térmica encontrada no evaporador. Se a temperatura no interior do evaporador aumenta, o mercúrio se dilata pressionado o diafragma, forçando a passagem do fluido até que a temperatura vá se corrigindo, até atingir o ponto de eficiência (set point), quando a lâmina volta a se comprimir termicamente, eliminando a pressão sobre o diafragma, fechando a válvula por completo. Concomitantemente, outro bulbo contendo mercúrio, estará controlando o funcionamento do motocompressor, ligando e desligando o contato elétrico do mesmo, ao mesmo tempo em que a válvula estará abrindo ou fechando. Este sincronismo, garante ao sistema, um funcionamento equalizado do ciclo, através do controle térmico da temperatura, contribuindo para o controle do consumo de energia elétrica que alimenta o sistema de refrigeração. Figura 1 – Válvula de expansão mecânica com acionamento por diafragma. VÁLVULAS ELETRÔNICAS MICROPROCESSADAS O sinal do controle das válvulas eletrônicas pode ser gerado a partir de um termistor, instalado na saída do evaporador, este, ao detectar o aumento da temperatura no evaporador, reduz sua resistência elétrica. Esta variação de resistência, quando analisada por um circuito eletrônico, envia um sinal digital para o posicionamento da agulha da válvula. Este sistema possibilita um controle mais preciso e eficiente do fluxo do fluido refrigerante, resultando na melhoria da eficiência térmica, conseqüentemente, consumindo menos energia elétrica. Diante disso, também teremos um controle mais preciso da temperatura do ambiente refrigerado ou climatizado. Este sinal alimentará uma fonte, que será o módulo controlador do fluxo do fluido refrigerante. Então, o módulo poderá controlar válvulas solenóides e motores de passo, para regular a abertura ou o fechamento das válvulas de expansão termostática. Figura 2 – Módulos Controladores de Expansão. (PLC) CONTROLES DE FLUXO VÁLVULAS SOLENÓIDES Podemos utilizar o controle do fluxo do fluido através de válvulas de expansão acionadas por solenóides, com funcionamento semelhante ao das válvulas de controle direcional, utilizadas nos circuitos hidráulicos, controlando a vazão do fluido refrigerante. Porém, estas válvulas apresentam uma desvantagem, por serem operadas de forma on/off, causam golpes no fluido quando são fechadas repentinamente, causando vibração excessiva nas tubulações do circuito de refrigeração. Figura 3 – Válvulas de Expansão controladas por solenóides. MOTORES DE PASSO Por serem eletronicamente controlados, podemos abrir ou fechar as válvulas de expansão, através de motores de passo, utilizando acoplamentos e cremalheiras, transformando o movimento de rotação em movimento de translação. Permitindo, assim, o fechamento ou a abertura da válvula de expansão termostática. Esse funcionamento dos motores de passo permite que o controle do fluxo do fluido refrigerante seja gradativo, de acordo com a condição de eficiência encontrada no sistema de refrigeração. Figura 4 – Motores de Passo.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 6

SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO: O Ciclo de compressão do fluido refrigerante é atualmente utilizado em sistemas de refrigeração de pequeno e médio porte, como geladeiras, freezers, balcões frigoríficos e condicionadores de ar. A base destes sistemas está na compressão do fluido por um motocompressor, onde o ciclo se coincide. O ciclo começa quando o sistema passa de termostático (ciclo parado), para termodinâmico, quando se passa a aproveitar a energia interna do sistema através da entalpia (aproveitamento de energia de uma substância), onde o fluido refrigerante, através de suas características termodinâmicas, começa a se deslocar do tubo capilar, quando está em estado liquefeito, para o Evaporador, onde uma diferença de diâmetro existente entre o capilar e o evaporador proporciona evaporação ao fluido refrigerante, que se evapora a uma temperatura baixa (-30º). Durante essa etapa do ciclo, um bulbo contendo mercúrio já se encarregou de acionar o motocompressor, através de um circuito termoelétrico. Estando acionado, o motocompressor começa a agir como uma bomba, retirando todo o fluido em estado gasoso, que numa reação endotérmica absorve todo o calor do Evaporador e de qualquer corpo ou substância que nele se encontre, deixando o ambiente refrigerado ciclicamente. Nesse ponto o fluido encontra-se com sua pressão e temperatura baixa e seu volume se reduzindo (transformação de um gás num ciclo reversível). Até quando atingem o interior da câmara de compressão do motocompressor, onde ocorre uma transformação adiabática (tão rápido que o fluido não troca calor com o meio), apenas absorve parte do calor gerado pelo trabalho eletromecânico, responsável pelo funcionamento do pistão de compressão. Após ser comprimido, o fluido ainda em estado gasoso, é forçado a sair da câmara de combustão, por uma tubulação de menor diâmetro, causando com isso, o aumento da pressão e da temperatura do fluido, conseqüentemente seu volume também sofrerá variação, aumentando consideravelmente. Quando o fluido gasoso superaquecido (reação exotérmica) chega ao Condensador, todo o calor retirado do interior do Evaporador é dissipado, ao trocar calor com o meio externo. Nas geladeiras essa troca e dissipação ocorrem de maneira natural, através da ventilação das aletas que ficam na parte de trás. Nos condicionadores de ar essa dissipação se dá de maneira forçada, através de um ventilador que expulsa o calor do condensador. Essa ação do calor latente transforma o fluido refrigerante em estado gasoso para estado liquefeito, através da formação de fluido condensado resultante da diferença de temperatura do fluido e o meio externo.

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Conceitos Fundamentais da Refrigeração Definições: Propriedades termodinâmicas: São características macroscópicas de um sistema, como: volume, 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 (v). 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): São as energias que a matéria possui devido ao movimento de 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. Assim é conveniente definir a nova propriedade termodinâmica chamada “entalpia”. Entropia (s): Esta propriedade termodinâmica representa uma medida da desordem molecular da substância.

Máquinas Térmicas e Refrigeração - Aula 4

TURBINAS A VAPOR A Turbina é um tipo de Máquina Térmica que utiliza a energia de combustão externa de uma caldeira geradora de vapor, sob forma de energia termodinâmica. A Turbina transforma em energia mecânica a energia contida no vapor, sob a forma de energia térmica e de pressão. O elemento básico da turbina é o rotor, que conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona o rotor, fazendo-o girar. Essa energia mecânica criada é impulsionada através de um eixo para transferir movimento a uma máquina, um compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como hidráulicas ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas. A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes. Uma série favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na comparação com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás. O ponto principal entre estas características, é que a energia térmica gerada para acionar as turbinas, utiliza uma fonte de energia onde o ciclo reaproveita parte da energia gerada, sob forma de fluido condensado, resultante do choque térmico existente entre o vapor e a tubulação que o transporta. Componentes Básicos ESTATOR É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia termodinâmica do vapor em energia mecânica através dos distribuidores. ROTOR É o elemento móvel da turbina, cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos. É o elemento propulsor do movimento para as máquinas que serão acionadas pela turbina. EXPANSOR É o órgão cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser convergentes ou convergentes divergentes, conforme sua pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina, e conseqüentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação. PALHETAS São chamadas palhetas móveis, as que são instaladas no rotor; e fixas, as instaladas no estator. As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaça), ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis são peças com a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo malhete e, ao contrário das fixas, são removíveis. TIPOS E APLICAÇÕES As turbinas a vapor são partes de um sistema gerador de energia de combustão externa. As instalações de potência com turbina a vapor visam, fundamentalmente, obter energia elétrica ou mecânica e vapor para processo industrial. Basicamente, as centrais a vapor são plantas transformadoras de energia, ou seja, elas transformam: Energia Termodinâmica. Energia Mecânica Energia Elétrica A geração de energia elétrica pode ser através de centrais termelétricas convencionais ou nucleares e a geração de energia mecânica tem a finalidade básica de acionar máquinas rotativas, como bombas centrífugas, compressores centrífugos e axiais, ventiladores, etc. As condições (temperatura e pressão) do vapor em uma turbina variam com as necessidades de cada aplicação, tendo como limite superior condições em torno de 306 atm e 650ºC.