6. Anlise de Energia dos Sistemas Abertos III

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Análise de Energia dos Sistemas Abertos III
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Válvulas de Estrangulamento
Válvulas de Estrangulamento
Válvulas de estrangulamento são quaisquer dispositivos que restringem o escoamento e que causam uma queda significativa na pressão do fluido.
Alguns exemplos conhecidos são as válvulas reguláveis comuns, os tubos capilares e os tampões porosos.
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Válvulas de Estrangulamento
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Válvulas de Estrangulamento
Ao contrário das turbinas, esses dispositivos produzem uma grande queda de pressão sem envolver qualquer trabalho.
A queda de pressão no fluido quase sempre é acompanhada por uma grande queda na temperatura.
Por esse motivo, os dispositivos de estrangulamento normalmente são utilizados em aplicações de refrigeração e condicionamento de ar.
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Válvulas de Estrangulamento
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Válvulas de Estrangulamento
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Válvulas de Estrangulamento
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Válvulas de Estrangulamento
As válvulas de estrangulamento em geral são dispositivos pequenos, e o escoamento através delas pode ser considerado adiabático.
Não há tempo suficiente nem área suficientemente grande para que ocorra transferência de calor efetiva.
Não há trabalho realizado e as variações de energia cinética e potencial podem ser desprezadas.
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Válvulas de Estrangulamento
Assim:
Por isso, uma válvula de estrangulamento também pode ser chamada de dispositivo isentálpico.
Pode-se expressar esse balanço da seguinte forma:
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Válvulas de Estrangulamento
Assim, o resultado final de um processo de estrangulamento depende de qual das duas grandezas aumenta durante o processo.
Se o produto Pv diminuir, a energia interna e a temperatura do fluido aumentarão durante um processo de estrangulamento.
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Válvulas de Estrangulamento
Se a energia de escoamento aumenta durante o processo (P2v2 > P1v1), ocorre uma redução da energia interna.
Em geral, essa redução é acompanhada por uma queda de temperatura.
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Válvulas de Estrangulamento
No caso de um gás ideal, para o qual h = h(T), a temperatura permanece constante durante um processo de estrangulamento.
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Exercícios
Refrigerante R-134a entra no tubo capilar de um refrigerador como líquido saturado a 0,8 MPa e é estrangulado até uma pressão de 0,12 MPa. 
Determine o título do refrigerante no estado final e a queda de temperatura durante esse processo.
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Exercício 1
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Câmara de Mistura
Câmara de Mistura
Nas aplicações de engenharia, a mistura de duas correntes de fluidos é comum.
A seção na qual o processo de mistura ocorre normalmente é chamada de câmara de mistura.
A câmara de mistura não precisa ser uma “câmara” especial.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Câmara de Mistura
Uma conexão em T ou em Y de um chuveiro, por exemplo, serve como câmara de mistura para as correntes de água quente e fria.
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Câmara de Mistura
O princípio de conservação da massa aplicado a uma câmara de mistura exige que a soma dos fluxos de massa que entram seja igual ao fluxo de massa que sai.
Em geral, as câmaras de mistura são bem isoladas, não envolvem nenhum tipo de trabalho e as energias cinética e potencial das correntes de fluidos em geral podem ser desprezadas.
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Câmara de Mistura
Assim, no balanço de energia só restam as energias totais das correntes que entram e da mistura que sai.
O princípio de conservação da energia exige que elas sejam iguais entre si. 
Portanto:
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Exercícios
Considere um chuveiro comum, onde a água quente a 60 °C é misturada com a água fria a 10 °C. 
Se for desejado que um fluxo contínuo de água quente a 45 °C seja fornecido, determine a relação entre as vazões mássicas da água quente e fria. 
Suponha que as perdas de calor da câmara de mistura são insignificantes e que a mistura seja realizada a uma pressão de 150 kPa.
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Exercício 2
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Trocadores de Calor
Trocadores de Calor
Trocadores de calor são dispositivos nos quais duas correntes de fluido em movimento trocam calor sem se misturarem.
Os trocadores de calor são amplamente utilizados em diversas indústrias e possuem diversas configurações.
A forma mais simples de um trocador de calor é um do tipo casca e tubo.
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Trocadores de Calor
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Trocadores de Calor
Um fluido escoa nos tubos internos e outro fluido no espaço entre os tubos.
Calor é transferido do fluido quente para o fluido frio por meio da parede que os separa.
O tubo interno pode dar algumas voltas dentro da carcaça para aumentar a área (e a taxa) de transferência de calor.
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Trocadores de Calor
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Trocadores de Calor
O princípio de conservação da massa aplicado a um trocador de calor em regime permanente exige que a soma dos fluxos de massa que entram seja igual à soma dos fluxos de massa que saem.
Estes equipamentos normalmente não envolvem interações de trabalho e as variações de energia cinética e potencial podem ser desprezadas para cada corrente de fluido.
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Trocadores de Calor
A taxa de transferência de calor vai depender de como é selecionado o volume de controle.
A troca de calor se dá dentro do equipamento e que a carcaça externa em geral é bem isolada.
Quando todo o trocador é selecionado como volume de controle, essa taxa se torna nula.
A fronteira neste caso está justamente abaixo do isolamento, pelo qual pouco ou nenhum calor passa.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Trocadores de Calor
Entretanto, se apenas um dos fluidos for selecionado como volume de controle, então o calor atravessará a fronteira ao se transferir de um fluido para outro e a taxa de transferência de calor não será nula.
Será igual à taxa de transferência de calor entre os dois fluidos.
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Exercícios
Refrigerante R-134a deve ser resfriado pela água de um condensador.
O refrigerante entra no condensador com um fluxo de massa de 6 kg/min a 1 MPa e 70°C e sai a 35°C.
A água de resfriamento entra a 300 kPa e 15°C e sai a 25°C.
Desprezando quaisquer perdas de pressão, determine:
O fluxo de massa necessário de água de resfriamento;
A taxa de transferência de calor do refrigerante para a água.
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Exercício 3
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Exercício 3
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Tubos e Dutos
Tubos e Dutos
O transporte de líquidos ou gases em tubos e dutos é de grande importância para muitas aplicações de engenharia.
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Tubos e Dutos
O escoamento através de um tubo ou duto em geral atende às condições de regime permanente e, portanto, pode ser analisado como um processo com escoamento em regime permanente. 
Isso exclui os transientes iniciais e finais de operação. 
O volume de controle pode ser escolhido para coincidir com as superfícies
internas do trecho do tubo ou duto que se quer analisar.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
Em condições normais de operação, a quantidade de calor ganha ou perdida pelo fluido pode ser bastante significativa, principalmente se forem tubos ou dutos longos.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
Dependendo da aplicação, essa transferência de calor é desejável e necessária.
O escoamento de água através dos tubos da caldeira de uma usina de potência;
O escoamento do fluido refrigerante em um congelador;
O escoamento em trocadores de calor.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
Em outras aplicações, a transferência de calor não é desejável.
Sendo assim, os tubos são isolados para evitar ou reduzir a perda ou ganho de calor.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
Se o volume de controle envolver uma região em que haja aquecimento (fios elétricos), um ventilador, ou uma bomba (eixo), as interações de trabalho devem ser consideradas.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
As velocidades encontradas nos escoamentos em tubos e dutos são relativamente baixas e as variações de energia cinética em geral são insignificantes.
Isso é particularmente válido quando o diâmetro do tubo ou duto for constante e os efeitos de aquecimento forem desprezíveis.
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
Tubos e Dutos
Entretanto, as variações de energia cinética podem ser significativas para o escoamento de gás em dutos de seções transversais variáveis.
Principalmente quando efeitos de compressibilidade forem significativos
O termo de energia potencial também pode ser significativo quando o fluido experimenta uma variação de altura considerável ao escoar em um tubo ou um duto.
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Tubos e Dutos
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Equipamentos com Escoamento em Regime Permanente
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Exercícios
Os sistemas de aquecimento elétrico utilizados em muitas casas consistem de um tubo simples com aquecedores resistivos. 
O ar é aquecido à medida que escoa sobre os fios da resistência.
Considere um sistema de aquecimento elétrico de 15 kW. 
O ar entra na seção de aquecimento a 100 kPa e 17°C com vazão volumétrica de 150 m³/min. 
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Exercício 4
Se a perda de calor do ar do duto para a vizinhança ocorre à taxa de 200 W, determine a temperatura do ar na saída.
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Exercício 4