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SENAI “MARIANO FERRAZ”
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
 
MATHEUS 
RAFAEL PEREIRA DE MELO 
VLADIMIR
 
 
 
 
REFRIGERADORES E MÁQUINAS TÉRMICAS REAIS
SÃO PAULO 2018
1. O que faz um refrigerador?
Refrigeradores são dispositivos que utilizam trabalho para retirar calor de materiais do seu interior, rejeitando-o para o ambiente. Isso significa que retiram calor de uma fonte fria e repassam-no para uma fonte quente. Esses aparelhos são muito utilizados no nosso cotidiano.
1.1 Qual a função de um refrigerador?
A geladeira é um dispositivo comum em nossas residências. A sua função é manter resfriado o que lhe for colocado dentro, tanto na parte de cima (congelador) quanto na parte de baixo. O resfriamento da geladeira por um todo ocorre por meio do congelador, que é por onde passa o gás sob alta pressão e baixa temperatura.
1.2 Como funcionam os refrigeradores?
Há evidências de que os seres humanos, desde os primórdios, notaram que o simples resfriamento de alimentos era capaz de conservá-los por um tempo maior. Muito provavelmente, as apropriações de territórios foram responsáveis pela disseminação deste conhecimento às civilizações.
No entanto, somente no século XIX é que Jacob Perkins, um inventor inglês, desenvolveu um compressor capaz de solidificar a água, produzindo gelo artificialmente. E, obviamente, esta descoberta possibilitou que algumas indústrias, como as cervejarias, por exemplo, prosperassem. Além disso, o ramo comercial também foi bastante favorecido, uma vez que tornou-se possível enviar os produtos para vários países distantes.
Já no início do século XX, Willis Carrier, americano, instalou em uma gráfica de Nova York o primeiro aparelho de ar-condicionado, o qual era capaz de controlar a umidade do ambiente e de resfriá-lo. 
Os primeiros refrigeradores domésticos (mais conhecidos como geladeiras) surgiram, nos Estados Unidos, no início da década de 1920, tornando-se populares muito rapidamente. Hoje em dia, no Brasil, estima-se que um percentual superior a 80% das residências tenham uma geladeira.
1.3 Componentes
Basicamente, uma geladeira é composta dos seguintes elementos:
Fluido refrigerante: o qual deve possuir baixa pressão de vaporização e alta pressão de condensação, como é o caso do freon - fluido mais utilizado para refrigeração.
Compressor: funciona como uma bomba de sucção que retira o fluido do ramo da tubulação que o antecede (reduzindo a pressão) e injeta este fluido no ramo da tubulação que o sucede (aumentando a pressão). 
Condensador: trata-se de uma serpentina externa, localizada na parte de trás da geladeira, na qual o vapor se liquefaz, e que é responsável por liberar calor para o ambiente.
Tubo capilar: é responsável por diminuir a pressão do vapor do fluido.
C: é composto por um tubo em forma de serpentina acoplado ao congelador. Para passar ao estado gasoso, o fluido absorve energia na forma de calor do congelador e, ao abandonar o evaporador, chega ao compressor, recomeçando o ciclo.
Congelador: localiza-se na parte superior do refrigerador para facilitar a formação de correntes de convecção internas, permitindo a mistura do ar à baixa temperatura do congelador e de sua vizinhança com o ar à temperatura mais elevada das outras partes.
2. Máquinas Térmicas
Máquinas térmicas são máquinas que realizam trabalho e lidam com a variação de temperatura. Normalmente, as máquinas térmicas retiram calor da fonte quente e transferem-no para a fonte fria, o que define sua eficiência. Uma máquina térmica tem maior eficiência se transforma mais calor em trabalho, transferindo, portanto, menos calor na fonte fria. As máquinas térmicas utilizam energia na forma de calor (gás ou vapor em expansão térmica) para provocar a realização de um trabalho mecânico. Por isso o cilindro com pistão móvel é um dos principais componentes dessas máquinas: o gás preso dentro do cilindro sob pressão, quando aquecido, expande-se, deslocando o pistão e realizando trabalho. Apesar dos diferentes tipos de máquinas térmicas, todas recebem calor de uma fonte quente (reator nuclear, coletor de energia solar, fornalha a combustível, etc.), rejeitam o calor que não foi usado para um reservatório chamado fonte fria e funcionam por ciclos. As máquinas térmicas e outros dispositivos que funcionam por ciclos utilizam normalmente um fluido para receber e ceder calor ao qual se dá o nome de fluido de trabalho. O trabalho líquido do sistema é simplesmente a diferença de trabalho da fonte quente e da fonte fria. As máquinas são aparelhos que servem para transferir energia e, tanto podem receber energia sob a forma de calor para produzir trabalho, que é o caso das máquinas térmicas, como podem receber trabalho de modo a transferir energia sob a forma de calor, e nesse caso temos uma máquina frigorífica. Todas as máquinas funcionam em ciclo, isto é, uma máquina passa periodicamente pelo mesmo estado. A 2ª lei da termodinâmica, nomeadamente os postulados de Clausius, e de Lord Kelvin estabelecem limitações, tanto na transferência de energia sob a forma de calor entre objectos, como na possibilidade de transformar energia de uma forma noutra. Tais factos implicam que apenas possam existir máquinas, em que o seu princípio de funcionamento não viole a segunda lei da termodinâmica.
Aplicação da 2ª lei da termodinâmica às máquinas térmica
Segundo o postulado de Lord Kelvin, é impossível transformar em trabalho toda a energia sob a forma de calor extraída de uma única fonte, logo, a fracção de energia sob a forma de calor que não é utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior. Assim, as máquinas térmicas apenas permitem obter trabalho, a partir de um fluxo de energia sob a forma de calor entre duas fontes a temperaturas diferentes. A energia sob a forma de calor flui espontaneamente da fonte quente, isto é, a fonte com maior temperatura, para a fonte fria, ou seja, a fonte com temperatura inferior. Por exemplo, na máquina a vapor, um cilindro move-se devido à expansão do gás no seu interior, causada pela energia proveniente do aquecimento de água numa caldeira (fonte de energia sob a forma de calor - "fonte de calor"). Parte desta energia não é transformada em trabalho, e passa por condução térmica para os arredores da máquina (fonte com temperatura inferior).
O princípio de funcionamento de uma máquina térmica pode ser esquematizado pela figura 1:
Fig. 1 - Esquema de uma máquina térmica.
Deste modo, o trabalho fornecido pela máquina é igual à diferença entre as quantidades de energia sob a forma de calor trocada:
W = |Qq| = |Qf| 
Rendimento das máquinas térmicas
Um dos principais objetivos de quem constrói uma máquina térmica, é que esta tenha o maior rendimento possível. O rendimento, que normalmente se denota por η, define-se como a razão entre o trabalho que a máquina fornece W, e a energia sob a forma de calor que sai da fonte quente, Qq, e sem o qual ela não poderia funcionar. 
Como o quociente entre Qc e Qq tem um valor que pode estar entre 0 e 1, o rendimento de uma máquina térmica é sempre inferior a 1. Caso o valor de Qc fosse nulo, isto é, se a máquina não transferisse energia sob a forma de calor para a fonte fria, o rendimento seria igual a 1.No entanto, não é possível construir máquinas térmicas onde, ciclicamente se transforme toda a energia sob a forma de calor proveniente da fonte quente, em trabalho, uma vez que tal violaria a 2ª lei da termodinâmica.
Assim o restante de energia que não é aproveitado pela máquina é expulso para o meio ambiente na forma de energia inútil, "perdida".
2.1 Máquinas frigoríficas
Segundo o postulado de Clausius, é impossível transferir energia sob a forma de calor de forma espontânea, de uma fonte fria para uma fonte quente. Para que tal aconteça, é necessário fornecer trabalho ao sistema, e, nesse caso, temos uma máquina frigorífica. As máquinas frigoríficas, como um frigorífico ou uma arca congeladora, recebem trabalho (atravésda energia eléctrica proveniente da rede eléctrica), e usam-no de modo a retirarem energia sob a forma de calor do seu interior, transferindo-a por condução para o exterior. Deste modo, o interior de um frigorífico encontra-se a uma temperatura baixa, próxima de 0 ºC, enquanto que a parte de trás de um frigorífico está normalmente a uma temperatura superior à do meio ambiente onde se encontra. 
O princípio de funcionamento de uma máquina frigorífica encontra-se esquematizado na figura 3:
Fig. 3 - Esquema de uma máquina frigorífica.
Deste modo, a energia sob a forma de calor que é transferida para a fonte quente é igual à soma da energia sob a forma de calor retirada à fonte fria, com o trabalho necessário para que ocorra esse fluxo de energia:
|Qq| = W + |Qf| 
Eficiência das máquinas frigoríficas
A eficiência de uma máquina frigorífica é tanto maior, quanto maior for a quantidade de energia sob a forma de calor que retirar da fonte fria, ou seja, do interior do frigorífico, para a mesma quantidade de trabalho fornecido pelo motor do frigorífico. A eficiência de uma máquina frigorífica é o quociente entre a energia sob a forma de calor que sai da fonte fria, Qf, e o trabalho necessário para realizar essa transferência de energia:
Ao contrário do rendimento de uma máquina térmica, a eficiência pode ser maior que 1. A eficiência típica de uma máquina frigorífica varia entre 4 e 6. Por exemplo, se a eficiência for igual a 5, então o frigorífico retira 5 J de energia da fonte fria (interior do frigorífico) para a fonte quente (exterior), por cada 1 J de energia eléctrica que consome.
Seria impossível que a máquina frigorífica retirasse energia da fonte fria, sem receber qualquer energia do exterior (sem receber trabalho), uma vez que tal não estaria de acordo com a 2ª lei da termodinâmica.
Fig. 4 - Esquema de uma máquina frigorífica impossível devido à 2ª lei da termodinâmica.
O refrigerador como máquina térmica
Os primeiros refrigeradores, semelhantes aos que temos hoje, surgiram na década de 1850, mas foi só no início do século 20 que eles começaram a ser adquiridos pelas famílias, para uso doméstico. O refrigerador foi uma invenção importante, pois, antigamente, o armazenamento e o transporte de alimentos perecíveis eram muito difíceis, exatamente pelo fato de não existir uma máquina que provocasse o resfriamento das substâncias e, também, mantivesse as temperaturas baixas. Nos dias atuais, podemos, por exemplo, conservar leite, carne, peixe, iogurte e frutas por um bom tempo, sem nenhum problema, obtendo uma maior durabilidade dos produtos. O refrigerador doméstico e o ciclo de refrigeração A geladeira funciona em ciclos, usando um gás refrigerante num circuito fechado. Assim, o gás circula permanentemente, sem perdas, a não ser que haja um vazamento no aparelho. Antigamente, as geladeiras usavam o gás freon 12 (clorofluorcarbono), que é um gás apropriado para essa tarefa: tem elevado valor de calor latente de condensação e baixa temperatura de ebulição, além de não ser inflamável. Mas esse gás foi identificado como um dos que agridem a camada de ozônio. Desde então, os fabricantes vêm substituindo, gradativamente, o freon 12 por outros gases, com propriedades semelhantes e inofensivas para a camada de ozônio - como o HFC-134A. As partes principais de uma geladeira doméstica são: compressor, condensador, válvula descompressora e evaporador. O compressor é movido por um motor elétrico (por isso você liga a geladeira na tomada). Ele tem a função de aumentar a pressão e a temperatura do gás refrigerante, fazendo-o circular pela tubulação interna do aparelho. Quando o gás passa pelo condensador, perde calor para o meio externo, liquefazendo-se - ou seja, tornando-se líquido. Ao sair do condensador, um estreitamento da tubulação (tubo capilar) provoca uma diminuição da pressão. Assim, o elemento refrigerante, agora líquido e sob baixa pressão, chega à serpentina do evaporador (que tem diâmetro maior que o tubo capilar), se vaporiza e, assim, retira calor da região interna da geladeira. É importante notar que o evaporador está instalado na parte superior (congelador) da geladeira. A partir desse ponto, o ciclo se reinicia e o gás refrigerante é puxado outra vez para o compressor.
2.2 Máquinas térmicas a vapor 
No Brasil ainda temos exemplos de máquinas a vapor em funcionamento. No rio São Francisco (Nordeste) e no rio Amazonas (Norte) há embarcações à á embarcações à vapor fazendo transporte de pessoas e de carga de uma cidade a outra, pois nessas regiões o povo é muito pobre, logo, muitas vezes os marinheiros não tem acesso às embarcações mais modernas. Em Tiradentes (Minas gerais) há um trem à vapor, que já serviu para o transporte de carga, mas hoje é só uma atração turística. Os trens a vapor ficaram, no Brasil, popularmente conhecidos como Maria Fumaça. As primeiras máquinas térmicas foram de grande importância para Revolução Industrial.
3. Motores térmicos
Os motores térmicos são um tipo de motores alternativos. Na verdade, eles são os motores alternativos mais populares.
Este tipo de motor usa a energia térmica causada pela combustão de um combustível (geralmente gasoil ou gasolina) para convertê-lo em energia mecânica.
4. Máquinas térmicas
O conceito de um motor térmico é muitas vezes confundido com o de um motor térmico. Esses termos estão relacionados, mas não exatamente o mesmo. Uma máquina térmica é um dispositivo ou sistema que funciona ao estabelecer trocas de calor e trabalhar com o meio ambiente. Para conseguir isso, a máquina transforma uma substância por um processo cíclico ou uma sequência de operações. No final de cada ciclo, a substância retorna ao seu estado original e começa um novo ciclo. Pode funcionar como um motor, se transformar o calor no trabalho, ou como uma geladeira ou bomba de calor se ele virar o trabalho no calor.
As máquinas térmicas transformam a energia mecânica em energia térmica e vice-versa. Se você transformar o calor no trabalho, ele funciona como um motor. Por outro lado, se transformar o trabalho em calor, ele funciona como uma bomba de calor.
Os exemplos mais comuns de máquinas térmicas que encontramos são os motores térmicos a diesel e os motores a gasolina encontrados em automóveis. Muitos sistemas HVAC usam bombas de calor que também são máquinas térmicas.
4.Classificação dos motores térmicos
Um motor térmico pode ser classificado de várias maneiras diferentes. Em uma dessas classificações você pode distinguir entre:
Motores de combustão interna: a combustão ocorre em uma câmara interna do próprio motor, onde são gerados os gases que produzem a expansão causada pelo trabalho. Por exemplo, os motores dos carros.
4.1 Motores de combustão externa: Aqueles em que a combustão ocorre fora do motor. O calor liberado é transmitido para um meio inerte. Esse fluxo intermediário produz energia mecânica. Por exemplo, a máquina a vapor, onde o fluido intermediário é vapor de água e o local de combustão é a caldeira, que está fora do motor. Outro exemplo seria os motores térmicos de usinas nucleares que usam energia nuclear para convertê-la em energia mecânica.
4.2 Motor de combustão interna
Dentro dos motores de combustão interna destacam-se dois tipos de motores: o motor diesel e o motor a gasolina.
A diferença entre um e o outro é diferenciada, especialmente pela forma de iniciar a ignição da combustão do combustível. A partir daqui, o ciclo entre um e o outro é muito semelhante.
O pistão ou pistão (equipado com anéis de compressão que impedem a fuga de gás entre pistão e cilindro) transmite o impulso do referido gás gerado durante a combustão, através do parafuso, até a haste. O impulso da biela é transmitido para a manivela da virabrequim ou do eixo de transmissão. A biela e a manivela transformam o movimento linear alternativo do pistão no movimento rotativo da cambota. O eixo de manivela gira entre os rolamentos principais, montado na própria base.
A válvula de escape e o coletor de escape são as condutas através das quaisos produtos de combustão são descarregados para o exterior.
Tanto a válvula de sucção como a válvula de escape são conduzidas pelos chamados órgãos de distribuição. Um eixo de distribuição ou eixo de caminhões é conduzido pela virabrequim por meio de uma corrente ou por engrenagens. Os caminhões montados no eixo atuam em uma série de peças, como tappets, empurradores e balancins. Estas peças transmitem o movimento para a válvula de acordo com a lei definida pela forma do caminhão correspondente. A válvula é mantida no seu assento pela ação de sua primavera.
5. Motor diesel
O motor diesel é um motor térmico de combustão interna.
Este tipo de motor é caracterizado para funcionar através do ciclo do diesel. É também chamado de motor de ignição por compressão porque a ignição do combustível é produzida submetendo-a a uma pressão muito alta.
O combustível é introduzido no cilindro por meio de um injetor. A quantidade de combustível de um motor diesel é regulada pela bomba de injeção. Por outro lado, não há regulação para a quantidade de ar que entra através da conduta e da válvula de sucção.
Porque a combustão é uma consequência da alta temperatura do ar, intensamente comprimida no cilindro, a vela de ignição não é necessária.
6.Motores a gasolina
Os motores a gasolina são um tipo de motor de combustão interna. Este tipo de motor funciona de acordo com o ciclo otto, por isso também é chamado de motor otto.
Uma característica importante é a forma como a ignição do combustível começa. Neste caso, é produzido por uma centelha causada por uma vela de ignição. Devido a esta característica, também pode ser referido como um motor de ignição de ignição.
Nos motores a gasolina, a combustão começa quando a centelha entre os eletrodos da vela de ignição.
No motor a gasolina, a mistura é formada no carburador (hoje em dia é pouco utilizada e a mistura é feita por meio de injetores na câmara de combustão) e entra no cilindro através da conduta e da válvula. sucção A válvula do acelerador do combustível serve para regular a quantidade de mistura recebida.