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INTRODUÇÃO Prof. Cesar Ricardo Weschenfelder Histórico Em 1902 que Willis Carrier, um engenheiro de 25 anos formado pela Universidade de Cornell, nos EUA, inventou um processo mecânico para condicionar o ar. O controle do clima finalmente foi colocado em prática, na verdade, para resolver o problema de uma empresa de impressão em dias quentes de Nova York, onde foi feita a primeira instalação por Carrier. Histórico Ele teorizou que poderia retirar a umidade da fábrica através de resfriamento do ar por dutos artificialmente resfriados. Esse mecanismo, que controlava a temperatura e umidade, foi o primeiro exemplo de condicionador de ar contínuo por processo mecânico. Desse modo, a indústria têxtil, que também tinha grande necessidade de controle ambiental, foi o primeiro grande mercado para o condicionador de ar. Histórico Willis Carrier ao lado de sua invenção: o primeiro aparelho de ar condicionado da história. Histórico Porém, foi em 1906 que surgiu o termo “ar- condicionado”, com Stuart Cramer. O também norte- americano criou o seu próprio aparelho a fim de explorar formas de adicionar umidade ao ar em sua fábrica de tecidos, usando-o em um pedido de patente efetuado naquele ano. Carrier acabou adotando também o termo e incorporou-o no nome da sua empresa. Os primeiros aparelhos de ar condicionado, assim como os frigoríficos, empregavam gases tóxicos ou inflamáveis como a amônia, o clorometano e o propano, o que poderia resultar em acidentes fatais se houvesse um vazamento. Histórico 1910 A invenção demorou a se popularizar porque, em um primeiro momento, seus inventores ainda não tinham percebido o potencial daquelas máquinas de ar frio. A primeira aplicação residencial do ar-condicionado foi feita em uma mansão de Minneapolis, no ano de 1914. No mesmo ano, Carrier instalou o primeiro condicionador de ar hospitalar, no Allegheny General Hospital de Pittsburgh. O sistema introduzia umidade extra em um berçário de partos prematuros, ajudando a reduzir a mortalidade causada pela desidratação. Em 1919, o cinema Riviera, em Chicago, convidava os espectadores para sua “fábrica de congelamento”. Histórico 1920 Quatro anos depois, em 1923, uma loja de departamento em Detroit, nos EUA, instalou três condicionadores de ar que atraíram multidões de consumidores. Foi nesse período que o ar-condicionado começou a ser instalado em locais públicos. O aparelho teve seu ápice no ano de 1922, no Grauman’s Metropolitan Theatre, em Los Angeles, e tornou-se uma peça fundamental para o crescimento da indústria cinematográfica, pois, nos meses de verão, a frequência dos cinemas caía muito, levando ao fechamento de várias salas. Histórico 1920 Em Nova York, o cinema Tivoli, aberto desde 1921, ganhou em 1924 um ar-condicionado que o tornou famoso. As pessoas faziam fila na porta, mais para aproveitar o geladinho do cinema da Oitava Avenida do que para ver os filmes. Os aparelhos também chegaram aos escritórios ainda nesse período. Foram climatizados a Câmara dos Deputados dos EUA, em 1928, e o Senado Americano, em 1929. Além disso, no final da década, a Carrier já vendia um modelo caseiro, mas a Grande Depressão, período de recessão econômica, esfriou os negócios. Histórico 1930 Aparelhos de ar condicionado foram instalados em escritórios executivos da Casa Branca em 1930, tornando mais agradável o trabalho no verão quente e úmido de Washington. Ainda nos EUA, os vagões da ferrovia B&O foram os primeiros veículos de passageiros a possuírem condicionadores de ar, também no ano de 1930. Histórico 1930 Nessa época, Willis Carrier desenvolveu um sistema que viabilizou o ar-condicionado em arranha céus. A distribuição do ar em alta velocidade através de dutos “Weathermaster”, criada em 1939, economizava mais espaço do que os sistemas utilizados na época. Nesse mesmo ano os sistemas HVAC apareceram nos automóveis; caros, enormes e relativamente ineficazes. Apesar dessa evolução no setor, a crise na economia e a Segunda Guerra Mundial provocaram queda nas vendas do aparelho. Histórico 1940 Somente depois desses conflitos o ar-condicionado doméstico começou a ser adotado em massa. Teatros, bares e escritórios passaram a ser planejados como ambientes fechados. Na Flórida, nos EUA, hotéis foram erguidos inclusive com janelas pequenas, pé-direito baixo e condicionadores ligados na potência, revelando a adaptação dos lugares para receberem a tecnologia da climatização. Histórico 1950 A retomada do crescimento do setor levou ao desenvolvimento da primeira produção em série de unidades centrais de ar condicionado para residências, feita em 1952 pela Carrier. O estoque completo foi vendido em apenas duas semanas, tornando mais comum a utilização do aparelho nas residências. Além disso, em 1957, o primeiro compressor rotativo foi introduzido, reduzindo o tamanho do aparelho e tornando-o mais leve e silencioso. Histórico 1960 Na década seguinte, o ar-condicionado já não era mais novidade. A partir disso, se inicia um mercado de amplitude mundial em constante expansão, com muito espaço para desenvolvimento tecnológico e novidades em produtos, que vai até os dias de hoje. O custo dos aparelhos também foi ficando mais acessível, devido ao boom na década anterior. Histórico 1970 Os modelos janela começam a surgir no mercado ainda em uma estrutura simples, porém de grande valia para época, composta basicamente pela condensadora, bobinas e ventilador. Inicialmente eles usavam o fluido R-12, vulgarmente conhecido como Freon-12, para refrigerar o ambiente. Em 1977, novas bombas de calor começam a operar com temperaturas exteriores mais baixas, permitindo a climatização no ciclo reverso. Histórico 1980 Os beneficiados da vez são os automóveis, ou melhor, os motoristas e passageiros. É a partir da década de 80 que os sistemas de ar condicionado automotivo se tornam acessíveis, pequenos e banais; sendo facilmente instalados nos veículos e tirando o aparelho da lista de itens de luxo. Histórico 1990 O Freon (CFC), comumente utilizado até então, vira alvo da hipótese, não comprovada, de causar a destruição da camada de ozônio e passa a ser proibido em vários países. Apesar de o Protocolo de Montreal (que determina a redução de “substâncias nocivas” à camada) ser assinado em 1987, é na década de 90 que “ações sustentáveis” ganham força no setor de climatização. Marcas como a Honeywell e Carrier desenvolvem refrigerantes que são mais amigos do meio ambiente para serem utilizados nos modelos de ar-condicionado. Histórico OBS: A histeria com a camada de ozônio coincidiu com a quebra de patentes dos CFCs. A lei estipula que depois de um tempo, uma invenção se torna de domínio público e todos podem usá-la sem pagar mais nada ao inventor, isso se chama “quebra de patente”, quando o inventor perde o direito de cobrar royalties pelo uso de sua invenção. No final da década de 80 muitas patentes começaram a se tornar públicas. Dentre elas, as dos gases CFCs. Histórico 2000 A tecnologia em constante evolução permitiu o desenvolvimento dos modelos Split, separando o ar- condicionado em unidade interna e externa e conquistando seu espaço principalmente nas residências. Em 2003, por exemplo, segundo dados da Abrava, 60% dos aparelhos residenciais no Brasil eram janela e 40% Split. Em seguida, a tecnologia inverter também ganhou o gosto dos usuários, por oferecer pouca oscilação de energia e proporcionar economia nos gastos. Histórico 2010 Nesses últimos anos, o Split segue o status de “queridinho” da população, considerando que 72% das residências e empreendimentos com ar-condicionado utilizavam o Split em 2013. Além disso, a inovação tem possibilitado inúmeros avanços no surgimento de novos modelos de aparelhos, como podemos acompanhar um pouco dentro da história do ar-condicionado. A busca por equipamentos cada vez mais potentes e ao mesmo tempo econômicos revelam um futuro que visa a eficiência energética a baixo custo e acessível a todos. Introdução As instalações de ar condicionado no Brasil são regidas pela Norma Brasileira NBR-6401 (lnstalações centrais de ar condicionado para conforto), que estabelece as bases fundamentais para elaboração dos projetas. das especificações, termo de garantia e aceitação das instalações. Condicionar o ar em um recinto significa submetê-lo a certas condições, compatíveis com o objetivo da instalação, independentemente das características exteriores. Assim, podemos condicionar o ar para o conforto, para um melhor desempenho ou durabilidade de equipamentos ou processos. De um modo geral, o condicionamento do ar controla as seguintes propriedades: • temperatura; • umidade relativa; • velocidade; • pureza. Introdução Uma instalação de ar condicionado pode ser considerada um sistema aberto, no sentido termodinâmico, no qual são mantidas as condições desejadas no recinto: Introdução O fluido utilizado é o próprio ar que é refrigerado e tratado em um outro subsistema fechado, que é o ciclo de refrigeração. O ar refrigerado é introduzido no recinto onde se mistura com o ar contido no ambiente e essa mistura gasosa, devidamente controlada em seu fluxo, temperatura, umidade e pureza, dará as condições de conforto. Introdução O subsistema definido como ciclo de refrigeração, através do fluido frigorígeno, realiza as transformações termodinâmicas necessárias para absorver o calor diretamente do ar com o qual é posto em contato (sistema de expansão direta) ou indiretamente através da água (sistema de expansão indireta). PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA Primeira Lei da Termodinâmica Uma energia aplicada a um sistema pode produzir modificações no aspecto físico ou químico, embora não seja uma substância. A energia pode ser definida em um sentido mais geral como a "capacidade de produzir trabalho". “Energia não pode ser criada nem destruída“. Primeira Lei da Termodinâmica A lª Lei da Termodinâmica estabelece, de uma forma geral, que, quando uma energia é transferida ou transformada em qualquer outra forma, a energia final total é igual à energia inicial menos a soma de todas as energias envolvidas no processo. Primeira Lei da Termodinâmica Essa lª Lei da Termodinâmica não pode ser demonstrada matematicamente e sim por meio de observações experimentais. Por meio do balanço energético envolvido nos sistemas, podemos concluir a primeira lei. Aplicando-se a lª lei a um sistema, podemos dizer que a energia adicionada ao sistema é igual à diferença entre a energia final e a energia original do sistema. Então, a compreensão da 1ª lei exige conhecimento da forma de energia adicionada ao sistema, assim como as formas de energia resultantes das transformações. Primeira Lei da Termodinâmica Para que uma energia possa ser adicionada a um sistema deve haver uma força atuante ou um potencial que causará a transposição das vizinhanças do sistema. Há três tipos de potenciais: forças mecânicas, forças elétricas e temperatura. As energias associadas com esses potenciais são: trabalho, energia elétrica (ou trabalho elétrico) e calor. Primeira Lei da Termodinâmica Trabalho é definido como o produto da força pela distância onde esta força atua. Essa definição implica que a força cause um deslocamento e só a componente da força na direção do deslocamento atua na produção do trabalho. Assim a equação do trabalho realizado: 𝑊 = 𝐹. 𝑑 Primeira Lei da Termodinâmica Energia elétrica (trabalho elétrico) é definida ao longo do tempo como igual ao produto da diferença de potencial (ddp) pela corrente que essa diferença de potencial produz (essa corrente depende da impedância do circuito). O calor, ou energia calorífica, é a energia transferida através dos limites de um sistema, quando entre esses limites há uma diferença de temperatura. Primeira Lei da Termodinâmica Diferentemente da energia mecânica ou energia elétrica, a determinação do calor que atravessa os limites do sistema é bem mais difícil. Quando se conhece a condutividade térmica do material através do qual o calor flui, será possível determinar o fluxo do calor. Porém essa condutividade só é obtida por processos indiretos. Primeira Lei da Termodinâmica A adição de energia a um outro sistema poderá produzir a elevação de temperatura, a sua expansão ou mudança de fase. Uma reação química pode ocorrer em um sistema; num sistema gasoso, por exemplo, a adição de temperatura pode ocasionar a ionização. Em certos sistemas, poderá ocorrer a fissão ou a fusão nuclear. Primeira Lei da Termodinâmica A energia que, associada com qualquer outra, provoca modificações internas é denominada "energia interna", designada por U. Qualquer modificação na temperatura de um sistema provoca modificação na velocidade das moléculas, ou seja, na energia cinética molecular. Primeira Lei da Termodinâmica A lª lei aplicada a qualquer sistema estabelece que: "Quando se verifica qualquer modificação no sistema, a energia final é igual à energia original do sistema mais a energia adicionada ao sistema, durante o período em que se verifica a modificação.“ A energia interna U pode ser inerente ao sistema de várias formas. Quando o sistema está em movimento, está sob a forma de energia cinética; se elevarmos o sistema, há modificação na sua energia potencial, então U está sob a forma de energia potencial. Primeira Lei da Termodinâmica A energia pode ser adicionada ao sistema, sob a forma de calor ou trabalho, seja trabalho mecânico ou elétrico. Arbitrariamente o calor adicionado ao sistema é considerado positivo, assim como o trabalho fornecido pelo sistema também é positivo. Primeira Lei da Termodinâmica Supondo, uma massa definida de material sendo impulsionada para dentro do sistema aberto. A pressão p resistirá ao fluxo da massa nos limites do sistema. De uma maneira direta ou indireta, trabalho é exigido para remover essa resistência p. Primeira Lei da Termodinâmica Esse trabalho será definido: 𝑊 = 𝐹. 𝑙 𝑝 = 𝐹 𝐴 ou 𝐹 = 𝑝𝐴 𝑊 = 𝑝. 𝐴. 𝑙 𝑾 = 𝒑𝑽 Primeira Lei da Termodinâmica Como se trata de um trabalho ao longo de toda a seçãoA, será mais bem definido por "fluxo de trabalho Wj” ou: 𝑊𝑓 = 𝑝𝑉 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA Segunda Lei da Termodinâmica Em 1824, o engenheiro francês Sadi Carnot, através de sua publicação "Reflexões sobre a força motriz do calor", chegou à seguinte conclusão: "O calor só pode produzir trabalho quando passa de um nível de temperatura mais alto para um nível mais baixo ou, em outras palavras: a quantidade de trabalho que pode ser produzida por uma máquina a vapor, para uma dada quantidade de calor, é função direta da diferença de temperatura entre a produção do vapor e a sua exaustão." Segunda Lei da Termodinâmica Ficou também demonstrado que a transformação inversa só seria possível com o fornecimento de trabalho ao sistema: O trabalho mecânico pode ser convertido completamente em calor,mas a transformação inversa não é possível. Segunda Lei da Termodinâmica Se uma corrente elétrica flui através de um resistor, produz um efeito térmico. O calor por seu equivalente elétrico de entrada pode ser fornecido pelo resistor, entretanto o inverso não é possível, ou seja, o calor não pode ser incorporado ao resistor e fornecer a mesma energia elétrica de entrada. Segunda Lei da Termodinâmica Da mesma forma uma reação química: o hidrogênio e o oxigênio em presença de uma centelha formam vapor de água, com elevação de temperatura. A reação inversa, ou seja, fornecendo a mesma quantidade de calor à água, não a dissocia em hidrogênio e oxigênio. CICLO DE CARNOT Ciclo de Carnot Supondo a máquina térmica ideal da figura, na qual há uma fonte térmica com alta temperatura (fonte quente Q1) e uma fonte fria Q2. Desse modo é possível produzir o trabalho mecânico W. Ciclo de Carnot O diagrama de Carnot, diagrama p-v, mostra que no ponto 1 o gás recebe calor de Q1 à temperatura constante, então aumenta de volume forçando o pistão a produzir trabalho à temperatura constante, com queda de pressão (1- 2). Ciclo de Carnot No ponto 2, a temperatura do pistão iguala a T1, mas o pistão continua a se mover, o que provoca a diminuição da temperatura até T2, sem troca de calor (adiabática) no trecho 2-3. Ciclo de Carnot A partir do ponto 3, o pistão começa a retomar, descrevendo o trecho 3-4, diminuindo o volume, cedendo calor, aumentando a pressão, à temperatura constante. Ciclo de Carnot No trecho 4-1, a temperatura do gás se eleva até T1, com diminuição de volume e aumento de pressão, sem troca de calor (adiabática) e o ciclo está completo. Ciclo de Carnot A eficiência térmica da máquina é dada por: 𝜂𝑡 = 𝑊 𝑄1 Onde Q1 é o calor recebido da fonte e W, o trabalho fornecido pela máquina; supondo que se trate de um gás perfeito, teríamos: 𝑊 = 𝑄1 − 𝑄2 Logo, 𝜂𝑡 = 1 − 𝑇2 𝑇1 Onde T1 e T2 são as temperaturas Kelvin das fontes quente e fria. Quando a temperatura da exaustão se aproxima da temperatura da fonte, o rendimento tende a zero e, quanto menor for T2, maior será o rendimento, e no caso limite de T2=0, o rendimento será de 100%. Ciclo de Carnot Exemplo 1 Uma máquina térmica de Carnot recebe 1.000 kJ de calor de uma fonte à temperatura de 600°C e descarrega na fonte fria na temperatura de 60°C. Calcular: a) a eficiência térmica; b) o trabalho fornecido; c) o calor descarregado. Ciclo de Carnot a) 𝜂𝑡 = 1 − 𝑇2 𝑇1 = 1 − 60+273 600+273 = 0,62 𝑜𝑢 62% b) 𝑊 = 𝜂𝑡 . 𝑄1 = 0,62 . 1000 = 620𝐾𝐽 c) 𝑄2 = 𝑄1 −𝑊 = 1000 − 620 = 380𝐾𝐽 Se, neste exemplo, a fonte de calor fornecesse essa energia em 30 minutos, qual a potência fornecida em KW? 𝑊 = 620𝐾𝐽 𝑒 𝑃 = 620 𝐾𝐽 1800𝑠 = 0,34𝐾𝑊 CICLO REVERSO DE CARNOT Ciclo Reverso de Carnot O ciclo reverso é o ciclo típico de refrigeração, onde a fonte fria, para ceder calor à fonte quente, necessita receber trabalho mecânico. Ciclo Reverso de Carnot Para a máquina de refrigeração, ou seja, a máquina térmica operando em ciclo reverso, temos: Q1=Q2-W, pois o trabalho é negativo e o efeito refrigerante fornecido pela bomba será Q1, então o efeito de aquecimento Q2 será: 𝑄2 = 𝑄1 +𝑊 Ciclo Reverso de Carnot O diagrama p-v terá agora o aspecto da figura e o rendimento é: 𝜂𝑡 = 𝑊 𝑄2 = 𝑇2−𝑇1 𝑇2 = 1 − 𝑇1 𝑇2 Ciclo Reverso de Carnot Exemplo 2 Num ciclo reverso de Carnot (máquina de refrigeração), a máquina recebe calor a -5° C e descarrega a 40°C. A potência de entrada é de 10 kW. Calcular: a) o efeito de aquecimento Q2; b) o efeito refrigerante Q1. Ciclo Reverso de Carnot a) 𝜂𝑡 = 𝑊 𝑄2 = 𝑇2−𝑇1 𝑇2 𝑜𝑢 𝑄2 = 𝑇2.𝑊 𝑇2−𝑇1 = 40+273 .10 40−(−5) = 69,5𝐾𝐽 𝑠 b) 𝑄1 = 𝑄2 −𝑊 = 69,5 − 10 = 59,5𝐾𝐽 𝑠 𝑜𝑢 59,5𝐾𝑊
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