Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

76
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à Refrigeração Industrial Profa. Karla [email protected] http://paginapessoal.utfpr.edu.br/karla Semestre 2-2015

Transcript of Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

Page 1: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Fundamentos de Refrigeração Industrial

Aula 1

Introdução à Refrigeração Industrial

Profa. Karla [email protected]

http://paginapessoal.utfpr.edu.br/karla

Semestre 2-2015

Page 2: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Hoje

Aula 1A: Introdução à

Refrigeração Industrial

• Refrigeração e cadeia

do frio

• Por que aprender

refrigeração

Aula 1B:

Revisão

• Sistemas e Ciclos de

Refrigeração

• Equipamentos

Page 3: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

1° Compreender

Refrigeração e Cadeia do Frio

Aula 1A

Page 4: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Resfriar x Congelar

(Temperaturas inferiores ao Ponto de Congelamento)

• T < 15°C

• Resfriados: ~0°C < T < 15°C

(Temperaturas menores são para Criogenia)

• Congelados : ~-18°C > T > ~-70 °C

Page 5: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Cadeia do Frio: Resfriar o produto desde a colheita e mantê-lo frio ao

longo de toda a sequência até o consumo final.

“It is the ability to deliver on the quality promise”

Planta de

Processamento

Transporte para o

Centro de

Distribuição

Estocagem/

Distribuição/

Carregamento

Entrega para

Mercados Vendas no Mercado

Tempo

Tem

per

ra

tura

(ºC

)

(Pacitti, N. ,Sterling Solutions LLC para SQF Institute, 2006.)

10

15

20

25

05

Page 6: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Convencendo

Por que aprender (e bem!) isso?

Page 7: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

OPORTUNIDADE!!!

“De fato, a única coisa que atrasa o

crescimento da indústria de

refrigeração atualmente é a falta

de um fornecimento adequado de

mão de obra especializada.” (Dossat, R. J., 2004)

Page 8: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Cenário Ideal Mundial

‘Crise dos Alimentos’

"A palavra de ordem deste governo para combater a inflação e a crise americana é

aumentar os investimentos em produção.“(Presidente Lula - Folha Online em 02/08/2008 16:23h) A meta, segundo ele, é dobrar a produção da agricultura familiar até 2010.

CRIES

Nacional

CRISE

Page 9: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Realidade Brasileira

Complexo Soja

21,7%

Outros

16,1%

Produtos de

Madeira

7,0%

Café

6,6%Tabaco

3,9%

Produtos de

Couro

3,8%

Couro

3,2%

Suco de Laranja

2,5%

Carnes

18,3%

Açúcar

9,0%

Celulose/Papel

7,8%

Principais Produtos - 2005

Produto % Produção

Abacate 30

Abacaxi 24

Banana 40

Caju 40

Laranja 22

Uva 25

Maçã 10 a 15

Papaia 30 a 40

Manga 30 a 40

“Existem produtos em que as perdas chegam a mais de 40% do total produzido.“ Laudizio Marquesi Consultor logístico da Consulog Consultoria

Page 10: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

O Brasil no mundo

Page 11: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Você usará Refrigeração! Aplicações da Engenharia:

Dimensionamento/ Projeto de Instalações

Instrumentação/ Automação/ Controle

Consultoria/ Assessoria

Eficiência Energética

Logística

Científico:

Pesquisa (Pura ou Aplicada)

Desenvolvimento

Tecnológico

Comercial

Nutricional

Educacional

Page 12: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Compromisso da

Engenharia de Alimentos

Desenvolver processos de conservação;

Disponibilização de alimentos :

Entre-safras;

Evitar especulação;

Ampliação do Shelf-Life;

Redução de perdas;

Manutenção da qualidade do produto e do processo;

Respeito a Legislação e Higiene;

Desenvolvimento e aplicação de técnicas :

Conservação;

Estocagem / acondicionamento ;

Distribuição

Page 13: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

RefrigerAÇÃO

Processo de conservação que

mais se aproxima do produto

fresco.

Page 14: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Classificando as Aplicações: Refrigeração Doméstica;

Refrigeração Comercial;

Refrigeração Industrial:

Conservação;

Processamento;

Tratamento.

Refrigeração de Transporte:

Terrestre:

o Rodoviário;

o Ferroviário.

Marítimo;

Aéreo.

Condicionamento de Ar

Page 15: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

APS (5% da nota final!)

• Carga Térmica de um ciclo frigorífico

• Sistema frigorífico real

• Parâmetros reais

Page 16: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Reviram???

Fizeram a 1ª Lista de Exercícios

Lembrando que:

10% “Trabalho” será composto por

Listas de Exercícios 2,5 %

Relatórios 2,5 %

Seminários 5,0 %

Page 17: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Introdução aos Conceitos Básicos

Cap. 1 “Çengel”

Termodinâmica e Energia

Dimensões e Unidades

Sistemas e Volumes de Controle

Propriedades de um Sistema

Densidade e Densidade Relativa

Estado e Equilíbrio

Processos e Ciclos

Temperatura e Lei Zero da Termodinâmica

Pressão

Técnicas de Solução de Problemas

Page 18: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Energia, Transferência de Energia e

Análise Geral da Energia

Cap. 2 “Çengel”

Formas de Energia

Transferências de Energia: Calor e Trabalho

Formas Mecânicas de Trabalho

Primeira Lei da Termodinâmica

Eficiência de Conversão de Energia

Page 19: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Propriedades das Substâncias Puras

Cap. 3 “Çengel”

Substância Pura

Fases de uma Substância Pura

Processos de Mudança de Fase de Substância Pura

Diagramas de Propriedades para Processos de Mudanças

de Fase

Tabelas de Propriedades

Equações de Estado do Gás Ideal

Page 20: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Análise da Energia dos Sistemas Fechados

Cap. 4 “Çengel”

Trabalho de Fronteira Móvel

Balanço de Energia em Sistemas Fechados

Energia Interna

Entalpia

Calores Específicos

Page 21: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Termodinâmica: Ciência da energia.

Therme = Calor Dynamis = Potência

Inicialmente converter calor em potência.

Hoje aspectos da energia e suas transformações.

Page 22: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

As Leis da Termodinâmica

Lei Zero da Termodinâmica : “Dois corpos a diferentes temperaturas, quando

em contato entram em equilíbrio térmico.”

Lado Frio LadoQuente

Transferência de Calor Natural

CONDUÇÃO

1ªLei da Termodinâmica: Lei da Conservação de Energia

“Num ciclo termodinâmico a variação da energia interna é dada pela diferença entre a

quantidade de calor trocada com o meio e o trabalho realizado no processo.”

2ªLei da Termodinâmica: “A energia tem qualidade e quantidade, e os

processos reais ocorrem na direção da qualidade decrescente da energia”.

Page 23: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Termodinâmica

Page 24: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Conceitos Essenciais

Sistema

Vizinhança

Fronteira

o Fixa

o Móvel

o Aberto (ou Volume de Controle)

o Fechado (Massa de Controle)

- Volume fixo

- Massa fixa

Sistema Isolado: nem energia atravessa fronteira!

Calor entra

Fronteira do sistema (aberta)

Trabalho externo realizado

Page 25: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Conceitos Essenciais

Propriedade = característica da matéria que pode ser medida ou calculada

(massa, volume, energia, pressão, temperatura).

Extensiva: dependem do tamanho ou da extensão de um sistema.

Intensiva: função da posição e do tempo, mas mas independem do

tamanho ou extensão do sistema.

Regime Permanente = nenhuma propriedade varia num dado tempo.

Estado = conjunto de propriedades da matéria num dado tempo.

Processo = transformação de um estado para o outro.

m V T P

m ½m V ½V T T P P

Volume específico

V/m = = 1/ Viscosidade Condutividade Térmica Módulo de elasticidade

Coefic. Expansão térmica Reversibilidade Elétrica

Velocidade Elevação

Massa volumétrica ()

= m/V [kg/m3]

Densidade “relativa”(s)

s = / água

(sendo água = 1000 kg/m3)

Estado 1

Estado 2

Page 26: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Diagrama de Estado

Transformações Cíclicas = conjunto de transformações sofridas, ao fim das

quais retorna ao estado inicial (T, P, , h, s).

Vapor (superaquecido)

Sólido

Temperatura

Pre

ssão

Pto

Triplo

Líquido (sub-resfriado)

Temperatura

Pre

ssão

Temperatura

Pre

ssão

Temperatura

Pre

ssã

o

Page 27: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Diagramas para obtenção das propriedades

Alguns diagramas que correlacionam as Propriedades termodinâmicas dos Refrigerantes:

Pressão-Volume específico Entalpia-Entropia

Temperatura-Entropia

Page 28: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Diagrama Pressão-Entalpia

Justificativa:

- É o mais utilizado para ver as propriedades termodinâmicas (P, T, v, h, s) de refrigerantes.

- Inclui as várias propriedades num mesmo diagrama.

Relembrando:

h = u + P*v

Saturação: móleculas do líquido “escapam” para o gás até que o gás fique “cheio” (saturado) .

Diagrama de Pressão por Entalpia

Vapor Superaquecido Mistura líquido-vapor

Entalpia (Btu/lb ou kJ/ kg)

Pre

ssã

o

Ponto Crítico:

propriedades líquido-vapor

são idênticas

Só tem vapor! Só tem líquido!

Líquido Sub-resfriado

(ou Comprimido)

Base de massa

Page 29: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Tabelas e Diagramas de Propriedades Termodinâmicas

Informações Fornecidas:

- Entalpias

- Temperatura de saturação para uma dada pressão

- Pressão de saturação para uma dada temperatura

- Volume específico do vapor

- Entropia do vapor

- Inclui as várias propriedades num mesmo diagrama.

Nos diagramas P-h as informações são mais detalhadas na região de vapor

superaquecido.

Page 30: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Conceito “simplista” das formas de energia

Calor (Q) =energia que flui pela fronteira devido T.

Trabalho (W) =não pode ser armazenado, é função da trajetória.

Entalpia (h) =combinação de variáveis (h=u+P*v)

Entropia (s) = nível de “desordem” do sistema .

Page 31: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

• http://www.refrigeracao.net/Topicos/ciclo_refri.htm

• http://refrigere.no.comunidades.net/index.php?pagina=1682701894

Page 32: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Termodinâmica e Transferência de Calor

• Lei Zero da Termodinâmica : “Dois corpos a diferentes temperaturas, quando

em contato entram em equilíbrio térmico.”

• 1ªLei da Termodinâmica: = “Num ciclo termodinâmico a variação da energia

interna (U) é dada pela diferença entre a quantidade de calor (Q) trocada com o

meio e o trabalho realizado no processo.” Lei da Conservação de Energia

U = Q - W

Lado Frio LadoQuente

Transferência de Calor Natural

CONDUÇÃO

Page 33: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

e d c

P

h[kJ/kg] hc hd he

Exemplo de processo no diagrama PH

Pressão Constante:

Q

c

Líquido-Vapor

1atm

d

Vapor Saturado

1atm

e

Vapor Superaquecido

1atm

b

hb

a

ha

Líquido Sub-resfriado

Q

b

1atm

Líquido Saturado

a

1atm

Q Q

Page 34: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Introduzindo

especificamente a

Refrigeração

Page 35: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Princípios da Refrigeração Mecânica Refrigerando com água a 0C:

dreno

Isolante

Câmara a 30C

Ãgua a 0C

Equilíbrio: Tágua↑

Tcâmara↓

Gelo a 0C

dreno

Isolante

Câmara a 30C

Equilíbrio: Tgelocte até derreter tudo

Tcâmara↓

Refrigerante

Mudança de fase:

Vaporização

(líquido-vapor)

Vantagens do uso de refrigerantes (líquidos em vaporização):

- Processo de vaporização + fácil de controlar (começa e para à vontade);

- Tvaporização determinada pelo controle da P a qual o líquido vaporiza;

- Possível recolher o vapor e condensá-lo novamente fechando o ciclo. Escape do gás

Isolante

Câmara a 4C

R-12 Líquido em

Ebulição a -5.8C

Vapor

na Patmosférica

A utilização de uma válvula

possibilitará o controle da pressão

de vaporização do líquido refrigerante!

Evaporador

Page 36: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Princípios da Refrigeração Mecânica 1) Pvapor

refrigerante + baixa que Patmosférica :

Vapor

Isolante

Câmara a -25C

Refrigerante-12 Líquido em

Ebulição a -38C

Vapor

P=0.8atm

2)Repondo o líquido que evapora:

Vapor

Líquido Refrigerrnte

(baixa P)

Líquido

refriger.

(alta P)

Conjunto de

válvula agulha

3)Recuperando o vapor do refrigerante:

Líquido Ref.

(baixa P)

bomba

Líquido

refriger.

(alta P)

Conjunto de

válvula agulha

Condensador

Page 37: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Refrigeração Mecânica

Recapitulando as partes do “circuito de refrigeração mecânica”:

Refrigeração Contínua:

Obtida pelo Ciclo Termodinâmico onde se faz um fluido (Refrigerante),

passar por uma série de processos, retornando ao estado inicial.

Compressor

Eleva a T e P do fluido (vapor saturado)

possibilitando a troca térmica com o meio

(agente de condensação)

Page 38: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Refrigeração Mecânica

Page 39: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Ciclo Frigorífico visto no Diagrama Pv

a

b c d

e

v1 v2 v3 v4 v5

x x

x x x a-b: Compressão Adiabática Reversível -P e V

-Rápida (perda desprezível de calor) Adiabático

- Fluido Gasoso o processo todo

b-c: Resfriamento Isobárico -No Trocador de calor o fluido começa a perder calor

-Como P é alta e constante, T e V diminuem

c-d: Condensação P e V

- Alta P, perde mais calor

- V e T fluido passa de gás para liq.

- Fluido líquido.

d-e: Expansão Adiabática Reversível - Líquido a Alta P expande (tubo capilar)

- Rápida (perda desprezível calor) Adiabático

- P e T parte do Líquido se vaporiza

- gotas de líquido em vapor a baixa pressão.

NOTA: a baixa pressão após o tubo capilar se

deve a “pressão de sucção” do compressor

e-a: Vaporização Isobárica -P é baixa e constante no evaporador

- “Roubo” do Calor do meio

- Vapor a baixa pressão

Isoentrópica Isoentrópica

Page 40: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Ciclo Frigorífico - Refrigeração por Compressão

Entalpia

Gás

Mistura Saturada

Pre

ssão

Líquido

Evaporador

Condensador

Compressor

Trocador de

Calor

Superaquecido Sub-resfriado Condensação

Válvula de

expansão

+ W - W

-Q

+Q +Q

Teremos estados líquido e gasoso no ciclo:

Compressão/Condensação Gás-Líquido

Expansão / Evaporação Líquido para Gás.

Page 41: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Máquinas Térmicas x Máquinas Frigoríficas

Espontâneas!

(Locomotiva, vento)

Precisam realizar trabalho!

(Refrigeradores)

Page 42: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão Ciclos Termodinâmicos

1°Ciclo Ideal

Entendê-lo é + fácil! Ciclo de Carnot:

- Ideal;

- Dois níveis de temperatura ( eficiência máxima)

Tquente

Tfrio

Qquente

Qfrio

A

D

B

C

Wmecânico

P

V

I

II

III

IV

Page 43: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

43

Processo = Mudança de Propriedades

Projetar dispositivos depende de conhecer o comportamento das propriedades

Físicas das substâncias.

Fonte: Prof. Vicente Luiz Scalon – Termodinâmica Avançada - FEB

Vamos rever de uma nova

perspectiva?

Page 44: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

44

Substância Pura

• Definição: aquela que tem composição química

invariável e homogênea

pode haver presença de mais de uma fase

Mistura de gases pode ser considerada uma substância pura em determinados casos

Nesta etapa inicial, estudo se limitará ao efeito da compressibilidadade (variação de volume) mas outras propriedades têm comportamento similar

Page 45: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

45

Fase Líquida Exemplo: estrutura da água

Fase Vapor Exemplo: estrutura vapor d'água

Fase Sólida

Exemplo: estrutura do gelo

Fases Sólida Líquida e Vapor

Page 46: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

46

Mudança de Fase Água - Vapor

Page 47: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

47

Influência da Pressão no Processo

de Mudança de Fase

Page 48: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

48

Curva de Evaporação

• Cada pressão tem uma

temperatura de

evaporação

• Para 1atm => 100°C

• Para 31,2 kPa => 70°C

• Para 198,5 kPa => 120°C

• Curva de Evaporação

• Regiões Líquida e Gasosa

Page 49: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

49

Processos Físicos

• Processo à temperatura

constante (A-B)

• Processo à pressão constante

(C-D)

Page 50: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

50

Diagrama Geral de Fases

• Evaporação (parte do diagrama)

• Diagrama completo

• Pontos característicos

• Curvas de Mudança de Fase

Page 51: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

51

Processos com Mudança de Fase

• Sublimação (A-B)

A B

C D

• Passagem pelo ponto triplo (C-D)

E F

• Transformação sólido-líquido-

vapor (E-F)

G H

• Transformação supercrítica (G-H)

Page 52: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

52

Diagramas de fases diferenciados

• Diagrama para a água englobando

as diversas fases do gelo sólido

Gelo

Líquido

Vapor

• Diagrama para dióxido de carbono

(CO2)

Page 53: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

53

Propriedades Independentes de

uma Substância Pura

Pegunta: Quantas propriedades são necessárias para

definir o estado de uma substância pura?

Respostas:

• fora das regiões de mudança de fase: duas (2) propriedades

definem o estado termodinâmico.

• na curva de mudança de fase: o conhecimento do fato e uma

(1) propriedade define o estado.

Page 54: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

54

Gráficos associados ao

estado termodinâmico • Pelo Apresentado uma propriedade termodinâmica é

sempre função de duas outras propriedades.

• Por exemplo:

• Para representá-lo é necessário uma superfície

tridimensional.

Page 55: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

55

As diversas regiões da

Superfície 3D

V

P

TT

V

PP

V

T

P

V

T

Page 56: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

56

As regiões de Mudança de

Fase

V

P

T

Page 57: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

57

Processos a temperatura

constante e pressão constante

Processo a Pressão Constante Processo a Temperatura Constante

Page 58: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

58

Projeção da Superfície em P-

T

Transformação Sólido Vapor (Sublimação)

Transformação Sólido-Líquido (Fusão) Transformação Líquido Vapor (Evaporação)

Page 59: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

59

Projeção em T-v

Sólido

Vapor ou

Gás

Região de maior interesse neste curso

Page 60: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

60

Projeção P-v

Sólido

Gás

Vapor

Região de maior interesse neste curso

Page 61: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

61

A região de mudança de fase

• Na região de mudança de fase P e T são

propriedades dependentes

• O processo de mudança de fase ocorre

gradualmente.

• É preciso uma propriedade indicando a

parcela que já sofreu mudança de fase

• Esta propriedade é denominada por

TÍTULO e representada na forma:

Page 62: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Gráfico Real – T x v

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

T [o C

]

v [m3/kg]

FusãoVaporização

Page 63: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

O uso de Tabelas

Termodinâmicas

• Os gráficos para que possam ser utilizados na avaliação das

propriedades precisam ser muito grandes para dar uma certa

precisão.

• O mais comum em engenharia é usar tabelas ou softwares

capazes de avaliar as propriedades do fluido.

• Assim é preciso desenvolver uma boa capacidade de

trabalho com tabelas.

Page 64: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Tabelas com propriedades

• Água

Nos livros podem ser encontradas tabelas para diversos fluidos:

• Amônia

• Freon 12 ou R12

• Refrigerante 134a ou R134a

• Nitrogênio

• Freon 22 ou R22

• Metano

Page 65: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Interpolação de Propriedades

• Quando não se encontra diretamente a propriedade para as

condições desejadas é necessário realizar uma interpolação.

T

v

v2

v1

T2 T1 Tin

t

vint

Page 66: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Outras propriedades físicas relevantes

• Energia interna (U ou u)

Existem, além do volume específico algumas ou-tras importantes propriedades das substâncias:

• Entalpia (H ou h)

• Entropia (S ou s)

• Função de Gibbs (G ou g), etc

Page 67: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Avaliando as propriedades

• As propriedades podes ser avaliadas através de Tabelas e

Gráficos da mesma forma que o v. Inclusive o

comportamento geral é muito parecido dos gráficos.

• no processo de mudança de fase o cálculo do título segue as

mesmas regras:

Page 68: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Relações entre as

propriedades • Uma relação de fundamental importância é a relação entre a

entalpia h e a energia interna u

• Esta relação é tão importante que algumas tabelas fornecem

somente uma das duas propriedades, u ou h, sendo a outra

obtida a partir da relação termodinâmica acima.

Page 69: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Exercício

1) Para a sunstância água determine as propriedades termodinâmicas

usando as opcões entre parênteses:

v (tabelas, diagrama específico e generalizado)

h e u (usando tabelas)

x nas condições de:

P=4,8 bar x=0,3

P=6 bar e T=200°C

Page 70: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Dúvidas?

Page 71: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Teste seu conhecimento

• A lista de exercícios, vai auxiliar você na

verificação dos conhecimentos

necessários em refrigeração!

Page 72: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Lista de Exercícios 2 1. O gelo é uma substância pura? Por quê?

2. Qual a diferença entre líquido saturado e líquido comprimido?

3. Qual a diferença entre vapor saturado e vapor superaquecido?

4. Existe alguma diferença entre as propriedades intensivas do vapor saturado a

uma determinada temperatura e as do vapor em uma mistura saturada à

mesma temperatura?

5. Existe alguma diferença entre as propriedades intensivas do líquido saturado

a uma determinada temperatura e as do líquido em uma mistura saturada à

mesma temperatura?

6. Se a pressão de uma substância aumenta durante um processo de ebulição, a

temperatura também aumentará ou permanecerá constante? Por quê?

7. Por que a temperatura e a pressão são propriedades dependentes na região

de mistura saturada?

8. Qual é a diferença entre o ponto crítico e o ponto triplo?

9. É possível ter vapor d’água a - 10°C?

10. Em que tipo de panela um determinado volume de água ferve a uma

temperatura mais alta: em uma panela alta e estreita ou em uma panela baixa

e larga? Explique.

Page 73: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Continuação 1 da Lista de Exercícios 2 11. Em 1775, o Dr. William Cullen fez gelo na Escócia evacuando o ar de um

tanque da água. Explique como funciona esse dispositivo e discuta como

tornar o processo mais eficiente.

12. O ponto de referência arbitrado para as propriedades de uma substância tem

algum efeito sobre a análise termodinâmica? Por quê?

13. O que é título? Ele possui algum significado nas regiões de vapor

superaquecido?

14. Que processo exige mais energia: vaporizar completamente 1 kg de água

líquida saturada à pressão de 1 atm ou vaporizar completamente 1 kg de água

líquida saturada à pressão de 8 atm?

15. Na ausência de tabelas de líquido comprimido, como se determina o volume

específico de um líquido comprimido a uma determinada P e T?

16. Complete esta tabela para H2O:

T (°C) P (kPa) v

(m3/kg)

Descrição da fase

50 4,16

200 Vapor saturado

250 400

110 600

Page 74: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Continuação 2 da Lista de Exercícios 2 17. Complete para a H2O

18. Complete para a H2O

19. Um tanque rígido de 1,8 m3 contém vapor d’água a 220°C. Um terço do

volume está na fase líquida e o restante sob a forma de vapor. Determine (a) a

pressão do vapor d’água; (b) o título da mistura saturada e (c) a densidade da

mistura.

Resposta: (a) 2320 kPa (b) 0,0269 (c) 287,8 kg/m3

T (°C) P (kPa) h (kJ/kg) x Descrição da fase

200 0,7

140 1800

950 0,0

80 500

800 3162,2

T (°C) P (kPa) v (m3/kg) Descrição da fase

400 1450

220 Vapor saturado

190 2500

4000 3040

Vapor d’água

Page 75: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Continuação 3 da Lista de Exercícios 2 20. Um arranjo pistão-cilindro contém 0,85 kg de refrigerante 134a a -10°C. O

pistão, que está livre para se movimentar, possui uma massa de 12 kg e um

diâmetro de 25 cm. A pressão atmosférica local é de 88 kPa. Calor é

transferido para o refrigerante 134a até que a temperatura atinja 15°C

Determine (a) a pressão final, (b) a variação do volume do cilindro e (c) a

variação da entalpia do refrigerante 134a.

Resposta: (a) 90,4 kPa (b) 0,0205 (c) 17,4 kJ/kg

21. O que é e como funciona uma Máquina Térmica? E uma Máquina

Frigorífica? Qual a diferença termodinâmica fundamental entre elas do ponto

de vista de espontaneidade do processo? Faça um esboço de ambas

comparando seus funcionamentos.

22. Considerando uma mistura bifásica líquido-vapor, que se consiga medir a

temperatura, quais seriam as propriedades passíveis de se encontrar (defina

se dependeria de algo mais ou não)? Atenção: Especifique como encontrar

as propriedades parciais (de cada fase) e as totais (da mistura).

Page 76: Fundamentos de Refrigeração Industrial Aula 1 Introdução à ...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Campo Mourão

Continuação 4 da Lista de Exercícios 2 23. O que é um ciclo termodinâmico? Esboce num diagrama de pressão por volume específico

o ciclo de Carnot especificando as entradas e saídas de energia. Como ficaria nesse

diagrama um ciclo frigorífico? E o ciclo frigorífico num diagrama de pressão por entalpia?

24. Quais são as leis termodinâmicas fundamentais na refrigeração? (Cite a lei, explique a que

se refere e correlacione com a refrigeração).

25. Um engenheiro alega que criou um ciclo de refrigeração utilizando água como fluido de

trabalho. Avalie essa invenção. Utilize o diagrama impresso na próxima página para

propor as operações necessárias neste ciclo, supondo valores para as diversas etapas desse

ciclo de refrigeração proposto e discutindo a possibilidade dos supostos valores.

26. Explique e exemplifique os conceitos termodinâmicos de:

a.Estado;

b.Sistema aberto, fechado e isolado;

c.Volume de controle;

d.Diagrama de estado;

e.Propriedades extensiva e intensiva.

19. Que processo exige mais energia: vaporizar completamente 1 kg de água

líquida saturada à pressão de 1 atm ou vaporizar completamente 1 kg de

água líquida saturada à pressão de 8 atm?

20. Na ausência de tabelas de líquido comprimido, como se determina o volume

específico de um líquido comprimido a uma determinada P e T?

21. Complete esta tabela para H2O: