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Laboratorio de RACValvulas de Expansao
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 A valvula de expansao possui a funcao de expandir o refrigerantelıquido proveniente do condensador, de modo a produzir uma quedabrusca de temperatura e pressao;
I Ao passar pela estriccao, vapor e formado, levando o lıquido a umestado de mistura lıquido vapor;
I O fenomeno fısico que ocorre na expansao e chamado de efeitoJoule-Thomson.
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Conceitos Fundamentais
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Conceitos Fundamentais
I As moleculas de uma podem se movimentar de tres formas,
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Conceitos Fundamentais
Temperatura
E uma grandeza fısica utilizada para medir o grau de agitacao ou aenergia cinetica media das moleculas. Quanto mais agitadas essasmoleculas estiverem, maior sera sua temperatura.
Energia termica
E a soma das energias cineticas das particulas de um corpo.
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Conceitos Fundamentais
Energia Interna
Energia interna de um sistema e a soma das energias cinetica e potencialdas partıculas que constituem um gas.
Energia Potencial
E a energia devido as interacoes internas entre as moleculas do gas.
Energia Cinetica
E a energia relacionada ao movimento das partıculas do gas.
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Conceitos FundamentaisI Analise Lagrangeana - Sistemas:
I Descreve o comportamento de cada partıcula, acompanhando suatrajetoria no tempo;
I ideal para mecanica, pois os corpos sao rıgidos, nao apresentando”grande”quantidade de partıculas.
I Analise Euleriana - Volumes de controle:I Descreve o comportamento da materia atraves de um volume
arbitrario no espaco, o qual engloba os pontos de interesse dofenomeno.
I Abordagem utilizada em mecanica dos fluidos, devido a impraticidadede descrever um ”grande”numero de moleculas em movimento.
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Efeito Joule-Thomson
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Experimento de Joule-Thomson
Experimento de Joule-Thomson
1. Um meio poroso e montado em um tubo, de modo a se obter doisvolumes separados;
2. Dois pistoes sao inseridos em ambos os lados to tubo
3. O sistema e completamente isolado termicamente;
4. Um lado possui um volume inical V1 e o outro lado possui volumeinicial zero;
5. Gas e forcado a passar pelo meio poroso de uma lado para o outroutilizando o pistao;
6. Pressao e temperatura sao medidos em ambos os lados.
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Experimento de Joule-Thomson
I O trabalho realizado no processo do lado esquerdo (1) eW1 = −p1(0 − V1) = p1V1;
I O trabalho realizado no processo do lado direito (2) eW2 = −p2(V2 − 0) = −p2V2;
I O trabalho total realizado e,
W = W2 + W1 = p1V1 − p2V2 (1)
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Experimento de Joule-Thomson
I Pode-se aplicar a primeira Lei da Termodinamica para sistemas aoprocesso,
∆U = Q −W (2)
I Como o sistema esta isolado termicamente, tem-se,
U2 − U1 = W2 + W1 = p1V1 − p2V2 (3)
U2 + p2V2 = U1 + p1V1 (4)
I Lembrando da definicao de entalpia (H = U + pV ),
H1 = H2 (5)
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Experimento de Joule-Thomson
I E observado que a temperatura do gas apos a expansao difere deantes da expansao;
I Em certas condicoes, apos a expansao pode ser observado umaumento ou diminuicao da temperatura;
I Em geral se ira haver aumento ou diminuicao depende do gas e deseu estado inicial pre-expansao.
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Experimento de Joule-Thomson
I Alguns fenomenos importantes podem ser analisados para entendero efeito Joule-Thomson,
I A conservacao de entalpia (e nao energia interna) implica que podeocorrer aumento ou diminuicao de temperatura;
I As pressoes p1 e p2 permanecem constantes, e p1 > p2;I Se V2 >> V1 a energia interna U2 precisa diminuir, o que leva uma
reducao de temperatura;I Se V2 << V1 a energia interna U2 precisa aumentar, o que leva um
aumento de temperatura;
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Efeito de Joule-Thomson
I O efeito de variacao de temperatura com a pressao no efeitoJoule-Thomson e medido pelo coeficiente de Joule-Thomson;
µJT =
(∂T
∂p
)H
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I µJT > 0 - A expansao causa uma queda de temperatura;I µJT < 0 - A expansao causa uma elevacao de temperatura;I µJT = 0 - Para um gas ideal;
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Efeito de Joule-Thomson
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Efeito de Joule-Thomson
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Valvulas de Expansao
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Tubo Capilar
I Nos sistemas de pequena capacidade (geladeiras, aparelhos de arcondicionado de janela, freezers, etc.) o dispositivo de expansaomais utilizado e o tubo capilar, que e um tubo de pequenodiametro, com determinado comprimento;
I O diametro interno de tubos capilares varia de 0,5 a 2,0 milımetros,com comprimentos desde 1,0 ate 6,0 metros;
I O tubo capilar difere de outros dispositivos de expansao tambempelo fato de nao obstruir o fluxo de refrigerante para o evaporadorquando o sistema esta desligado.
I Quando o compressor e desligado, ocorre equalizacao entre aspressoes dos lados alto e baixo atraves do tubo capilar.
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Tubo Capilar
I Vantagens dos Tubos CapilaresI Simplicidade (nao apresentam partes moveis);I Baixo custo;I Permitem a equalizacao das pressoes do sistema durante as paradas
(motor de acionamento do compressor pode ser de baixo torque departida).
I Desvantagens dos Tubos CapilaresI Impossibilidade de regulagem para satisfazer distintas condicoes de
carga;I Risco de obstrucao por materia estranha;I Exigencia de uma carga de refrigerante dentro de limites estreitos;I Reducao da eficiencia operacional para qualquer variacao da carga
termica ou da temperatura de condensacao.
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Valvula de Expansao Automatica
I A valvula de expansao de pressao constante, mantem uma pressaoconstante na sua saıda, inundando mais ou menos o evaporador, emfuncao das mudancas de carga termica do sistema;
I A pressao constante, caracterıstica da valvula, resulta da interacaode duas forcas opostas: pressao do fluido frigorıfico no evaporador eda pressao de mola;
I A pressao do fluido frigorıfico exercida sobre um lado do diafragmaage para mover a agulha na direcao de fechamento do orifıcio davalvula;
I Enquanto a pressao de mola, agindo sobre o lado oposto dodiafragma, move a agulha da valvula na direcao de abertura doorifıcio.
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Valvula de Expansao Automatica
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Valvula de Expansao TermostaticaI Devido a sua alta eficiencia e sua pronta adaptacao a qualquer tipo
de aplicacao, as valvulas de expansao termostatica sao o dispositivode expansao mais utilizados em sistemas de refrigeracao deexpansao direta;
I Estas valvulas regulam o fluxo de refrigerante que chega aoevaporador de forma a manter um certo grau de superaquecimentodo vapor que deixa o mesmo;
I Quando o refrigerante passa atraves do orifıcio da valvula a suapressao e reduzida ate a pressao de vaporizacao;
I O refrigerante dos tubos do evaporador se vaporiza a medida querecebe calor;
I Em um ponto ao longo do tubo, todo o refrigerante lıquidovaporizou e, a partir deste ponto, qualquer fluxo adicional de calorprovocara um aumento da temperatura do refrigerante.
I Quando o refrigerante alcanca a saıda do evaporador ele apresentaum pequeno grau de superaquecimento.
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Valvula de Expansao Termostatica
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Experimento
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Experimento
I O experimento consistira em realizar 5 medicoes dos seguintespontos,
I PS3, TS3;I PS4, TS4;
I Utilizando PS3 e TS3 da primeira medicao, calcular o coeficiente deJoule-Thomson usando a seguinte simplificacao,
µJL =∆T
∆p
∣∣∣∣h
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Experimento
I Utilizando o coeficiente de Joule-Thomson, calcule a temperaturaTS4 teorica.
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