Ciclo de refrigeração e bomba de calor , Caldeira e Aletas (Teoria)

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Ciclo de Refrigeração e Bomba de Calor
Geraldo Luiz Pereira Fontana
gfontana@fei.edu.br
CICLO DE REFRIGERAÇÃO
Objetivo:
- Promover o contato dos alunos com um sistema de refrigeração;
- Identificação dos componentes de um sistema de refrigeração;
- Cálculo do coeficiente de eficiência de um ciclo de refrigeração tradicional;
- Construir um diagrama do processo de refrigeração a partir de dados experimentais.
Um ciclo de refrigeração é, basicamente, um ciclo de máquina térmica invertida. O calor é então transferido de uma temperatura baixa para outra mais alta, onde ele não pode ser efetuado sem o uso de energia externa.
Se o ciclo fosse ideal, teríamos ainda dois processos isotérmicos de transferência de calor: o rejeito de calor Q1 para a temperatura superior T1 e a absorção de calor Q2 a uma temperatura inferior T2; e dois processos adiabáticos: expansão e compressão do fluido de processo.
No entanto, num ciclo real, pode-se admitir que o processo de compressão é bem próximo de um processo isentrópico. A compressão isentrópica do vapor saturado do fluido de processo resulta numa temperatura levemente superior à do processo de condensação à temperatura constante. Em outros termos, é necessário resfriar o vapor antes de condensá-lo. Já a expansão do fluido não ocorre de maneira tão isentrópica quanto a sua condensação. Uma significativa perda de energia devido ao atrito do fluido ao passar pela válvula de expansão é observada e o processo deixa então de ser isentrópico.
O diagrama abaixo ilustra um processo de refrigeração segundo o ciclo de Carnot (o mais eficiente possível) e o de um processo real.
Assim, o coeficiente de eficiência do ciclo de refrigeração pode ser obtido pela quantidade de calor que é absorvida pelo sistema sobre a quantidade de trabalho aplicada ao ciclo:
Descrição do Equipamento: 
A bancada de refrigeração foi montada com os mesmos equipamentos de uma geladeira convencional, cujo fluido refrigerante é R22. Ela consiste essencialmente de 4 principais dispositivos: o compressor, a válvula de expansão, do evaporador e o condensador. Estes dispositivos são conectados de acordo com o esquema abaixo:
As quantidades de calor absorvida e retirada pelo sistema podem ser quantificadas pela variação da temperatura do fluido. Já o trabalho de compressão aplicado ao sistema pode ser diretamente medido pelo Wattimetro instalado junto ao compressor.
Procedimento Experimental:
- Identificar os componentes da bancada contendo um ciclo de refrigeração;
- Ligar a fonte de calor do evaporador do ciclo (lâmpada incandescente);
- Anotar as temperaturas dos termopares e pressão nos manômetros acoplados ao equipamento;
Anotar a potência consumida pelo aparelho durante seu funcionamento;
Resultados e Discussão:
- Calcular o coeficiente de eficiência do ciclo de refrigeração;
- Comparar o valor obtido com o valor de um ciclo ideal e real operando com R22.
- Apresentar um diagrama de Pressão vs. Entalpia (disponível no Manual Termotécnico do Trevisan) contendo o ciclo que melhor representa o sistema analisado.
BOMBA DE CALOR
Objetivo:
- Promover o contato dos alunos com uma bomba de calor;
- Identificação dos componentes de uma bomba de calor;
- Cálculo do coeficiente de eficiência de uma bomba de calor;
Introdução:
Uma bomba de calor é um aparelho capaz de retirar calor do ambiente e transferi-lo para um sistema. Ela é bastante utilizada no aquecimento de piscinas.
Seu funcionamento é semelhante ao de um ciclo de refrigeração com a diferença de que é a fonte quente o foco de interesse.
Neste equipamento o calor do ambiente é absorvido mediante a evaporação do fluido de processo e transferido para a água num trocador de calor (condensador) durante a condensação do fluido do processo. Assim como no ciclo de refrigeração, as etapas de compressão e expansão também estão presentes neste ciclo.
Observa-se que o processo de expansão não é puramente isentrópico, já que existe uma perda se energia devido ao atrito do fluido ao passar pela válvula de expansão. Já o processo de compressão pode ser dito com isentrópico, mas a temperatura do fluido comprimido é maior que a sua temperatura de condensação.
O coeficiente de eficiência da bomba de calor é então obtido pela relação entre o calor fornecido a água e o trabalho desenvolvido pelo equipamento:
Procedimento Experimental:
- Identificar os componentes da Bomba de Calor;
- Anotar a temperatura inicial da água do reservatório (ti)
- Ajustar o set-point da água (temperatura final da água no reservatório), ligar o equipamento e cronometrar o tempo de operação;
- Quando o equipamento entrar em regime, anotar as temperaturas.
- Quando o equipamento desligar, anotar a temperatura final da água (tf).
- Anotar as potências nominais da bomba de calor;
Resultados e Discussão:
- Traçar num um diagrama da Pressão vs. Entalpia do R22 as condições experimentais observadas (considerar inicialmente o comportamento do gráfico como sendo simular ao obtido no Ciclo de Refrigeração)
- Calcular o coeficiente de eficiência da bomba de calor nominal e o medido experimentalmente;
Justificar o desvio entre o valor obtido no experimento e o valor nominal do equipamento
- Discutir sobre os possíveis erros experimentais.
- Verificar se todas as hipóteses são aceitáveis.
Caldeira e máquina à vapor
Geraldo Luiz Pereira Fontana
gfontana@fei.edu.br
CALDEIRA E MÁQUINA À VAPOR
Objetivos:
- Promover o contato dos alunos com uma caldeira e com os principais acessórios de uma linha de distribuição de vapor.
- Apresentação de uma máquina à vapor, responsável pela produção de trabalho empregando-se vapor como fonte de energia.
- Determinação do trabalho de eixo produzido pela máquina à vapor.
- Determinação do rendimento da máquina à vapor e da caldeira.
CALDEIRA
As caldeiras são equipamentos utilizados na geração de vapor de água mediante uma fonte de energia. Esta fonte de energia pode ser obtida pela queima de combustível sólido (carvão, madeira, etc.), líquido (gasolina, diesel, etc.) ou gasoso (GLP, GN, etc.) ou por meio de energia elétrica. Esta energia é então transferida para a água, que se aquece até seu ponto de ebulição e vaporiza-se posteriormente, aumentando assim sua entalpia (H).
Para se conhecer a energia do vapor, ou seja, sua entalpia, é preciso conhecer a natureza do vapor (saturado, superaquecido, úmido), e a sua temperatura ou pressão.
CALDEIRA
Para se obter as propriedades do vapor produzido pela caldeira e o seu rendimento térmico, algumas características da caldeira e do vapor devem ser conhecidas.
As principais características de uma caldeira são:
- o tipo de caldeira em função da natureza do fluido que circula no interior dos tubos,
- o tipo de combustível utilizado e sua composição,
- a pressão nominal do vapor gerado (pressão de regime),
- a capacidade da caldeira.
Caldeira do Laboratório:
Elétrica
Vapor saturado
Pressão operação:
 7 kgf/cm2 a 8 kgf/cm2 
Sistema de segurança:
LINHA DE VAPOR
Purgadores de vapor: Válvula autônoma que drena o condensado automaticamente de um invólucro que contenha vapor e que ao mesmo tempo permaneça vedado para o vapor vivo, ou se necessário, que permita que o vapor flua à uma taxa controlada ou estabelecida.
LINHA DE VAPOR
Desaerador: dispositivo usado para a remoção de oxigênio e outros gases presentes na linha de vapor.
Válvula redutora de pressão: Reduz a pressão na linha de vapor.
REAPROVEITAMENTO DE ENERGIA EM CALDEIRA
As principais medidas para economizar energia em sistemas de geração de vapor industrial são:
 Redução das purgas de caldeira
 Recuperação de condensado
Tratamento químico adequado na água de alimentação
 Evitar vazamentos de vapor
MÁQUINA À VAPOR
As máquinas à vapor são equipamentos que permitem transformar a energia do vapor em energia mecânica. 
Para se poder quantificar o quanto de energia foi transformado em movimento, precisamos inicialmente saber a energia mecânica convertida, ou ainda, o trabalho de eixo geradopelo uso do vapor. Para tal finalidade existe um equipamento chamado dinamômetro.
Assim, conhecendo-se o trabalho de eixo gerado pela máquina à vapor, a quantidade de vapor consumida e as propriedades de vapor na entrada e na saída do processo, pode-se então calcular o rendimento do processo.
Máquina à vapor do Laboratório:
Pressão operação:
 1,5 kgf/cm2
CÁLCULOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS:
- Fazer o balanço de energia para a caldeira e para a máquina a vapor.
- Calcular os rendimentos da caldeira e da máquina a vapor.
- Identificar os possíveis erros experimentais e discutir como eles podem afetar os
resultados obtidos.
- Discutir sobre os possíveis erros experimentais.
- Verificar se todas as hipóteses são aceitáveis.
Discutir o procedimento e apontar sugestões e melhorias.
OBS: Durante este procedimento, a bomba de água não deve alimentar a caldeira, pois neste caso parte do calor cedido à caldeira será consumido no aquecimento da água.
ALETA NO AR
Geraldo Luiz Pereira Fontana
gfontana@fei.edu.br
Aleta no ar
 Objetivo: 
- Determinar experimentalmente o perfil de temperatura em aletas em nos regime transiente e permanente; 
- Determinar experimentalmente o coeficiente de transferência de calor por convecção em aletas no regime permanente; 
Aletas
Aletas correspondem a uma superfície estendida utilizadas para aumentar a área de transmissão de calor, aumentando a quantidade total de calor transmitida.
Podem se classificadas em:
A – Aleta com troca de calor em toda superfície externa
B – Aleta com ponta ponta adiabática
C – Aleta com temperatura de ponta especificada
D – Aleta infinita
Aleta do Laboratório:
Aleta Infinita:
Aleta Infinita
Descrição do Equipamento 
O aparato para o estudo do fenômeno de transferência de calor em uma aleta, fabricado pela Armfield, consiste numa fonte quente sustentada por corrente elétrica e um elemento cilíndrico de latão (liga cobre/bronze), dotado de termopares do tipo K ao longo de seu comprimento, para permitir o monitoramento da temperatura. 
Procedimento Experimental: 
- Medir as dimensões da barra e da distância dos termopares. 
- Medir a temperatura inicial da barra, iniciar o aquecimento e a contagem do tempo do experimento; 
Monitorar as temperaturas da barra até que ela atinja o regime permanente; 
Cálculos: 
- Traçar o perfil de temperatura em função de seu comprimento e do tempo; 
- Determinara o fluxo de calor dissipado pela barra (q); 
- Determinar o coeficiente médio de transmissão de calor h do ar; 
- Verificar se a hipótese adotada para os cálculos é satisfatória para o experimento.