Stoecker-and-Jones-Refrigeracao-e-Ar-Condicionado

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NA AREA: 
!ANUAL DO AR COMPRIMIDO 
.LEMENTOS DE SOLDAGEM 
l!DRAUUCA EPNEUMATICA 
IANUAL DE MANUTEN<;AO MECANICA BASICA 
lANUAL DE REFRIGERA<;AO EAR CONDICIONADO 
RANSFERENCIA DE CA LOR 
rncANICA 
ENOMENOS DE TRANSPORTE 
rncANICA DOS FLUlbOS 
G; 
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EDITORA AFILIADA 
ffiSiiMffiA 
- .. 
W. f. Stoecker 
Professor de E11ge11/wria Mecdnica 
University uf lllinois -- Urbana Champaign 
J. W. Jones 
Professor de Engenharia ll!ecdnica 
Uuiversi!y of Texas Austin 
Jose M. Saiz Jabanlo, PhD - Poli-USP 
Euryale Zerbine - Poli-USP, /PT 
Silvio de Oliveira JUnior Poli-USP, JPT 
Saburo Ikeda, MSC JPT 
MAKRON Books do Brasil Editora Lida. 
Editorn McGrnw-llill Lida. 
Sao Paulo 
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Rua Tabapua, 1105, liuim-Bibi :r-.. ,"f:-,,.,.1'... .,...,... 
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Do Original 
''.efrigeration and Air Conditioning 
Copyright © l 982, 1958 by McGraw-llill, foe. 
Copyright © 1985 da Editora McGraw-Bill do Brasil, Ltda. 
Todos os direitos para a Hngua portuguesa reservados pela Editora McGraw-Bill do Brasil, Ltda. 
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Editor: Milton Mira de Assumjl91iO Filho 
Supel'l'isora de Produ9ao: Maria Celina Jurado 
Capa: Cyro Giordano 
Composi9iio e Arte: Brasil Artes Graficas Lida. 
CW-Brasil. Catalogas:iio-11a-Publica9ilo 
Camara Brnsileira do Uvro, SP 
Stoecker, Wilbert F. 
S88r Refrigera<;:i!o e ar condicionado I W. F. Stoecker, J. W. Jones ; tcadu9ao 
IV 
Jose M. Saiz Jabardo -- - &io Paulo: Mt:Graw-Hill do Brasil, 1985. 
Bibliografia. 
Ar condicionado 2. Refrigerni;a-o I. Jones, Jerold W. U. Tltulo. 
fodices para catfilogo sis1ema1ico: 
I. Ar condicionado : Engenharia 697.93 
2. Refrigera<;:a-o: Engenharia 621.56 
CDD-621.56 
-697.93 
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ffefacio .................................................... . 
'l,(1· 
CAPffULO I - APUCAc;,:OES DA REFRIGERA«;AO E UO AR CONDICRONADO .. 
~·.: I-~ Principa~s .aplica9oes . '. .. : ......... : .' ............. , ...... · .. 
l-.1. Ar cond1c10nado em ed1ffc1os de porte medio e grande ............... . 
l-3 Ar condicionado industrial .................................. . 
, l -4 Ar condicionado residencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
l-5 Ar condicionado em vefculos ................................ . 
1-6 Armai.enamenlo e dislribui<;:ao de allmentos ...................... . 
1-7 Processamento de alimentos ................................. . 
l-8 .Industrias qufmicas e de processos ............................. . 
l-9 Aplicas:oes especiais da refrigera9ao ............................ . 
l-10 Conclusao .............................................. . 
Referencias ............................................ . 
I. 
CAPITUlO 2 - FUNDAMENTOS DE TERMODINAMJCA E THANSFERl!NCIA DE 
' CAWR .......................... ························ 
. 2-1 Conceitos basicos de refrigernc;:ao e ar condicionado ........... · ...... . 
· 2-2 Conccilos, modelos e leis ................................... . 
'·"' 2-3 Propriedades termodinamicas ................................ . 
, .· 2-4 Processos termodiniimicos ............... _ ... : .............. . 
\ ; 2-5 Conserva9ao da massa ..................................... . 
1, 2-6 Equa9ao da cnergia para regime pcrniancnle ...................... . 
l \ 2-7 Aquecimento e resfriameu10 ................................. . 
l , 2-8 0 processo adiabatico ..................................... . 
l , 2-9 Trabalho d~ compressao ................................ , ... . 
2-!0 Compressao isoentr6pica . . . . . . . . . . . . . . . . .................. . 
2-11 Equa9ao de Bernoulli . . . . . . .............................. . 
2-12 Transferencia de calor . . . . . . .............................. . 
xv 
l 
2 
3 
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JO 
II 
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15 
15 
IS 
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24' 
25 
2.\ 
25 
26 ' 
28 
2·13 Condu«;:iio. . . . ........................................ . 
2-14 Radia«;:ao .............................................. . 
2·15 Convecs:ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........................ . 
2-16 Resis1encia termica ....................................... . 
2-17 Ses:ao transversal cilindrica .................................. . 
2-18 Trocadores de calor. ...................................... . 
2-19 Os processos de transferencia de calor no corpo humano .............. . 
2-20 Metabolismo ........................................... . 
2-21 Convec¥iio ........................................... '. .. 
2-22 Radiac,;ao .............................................. . 
2-23 Evapora~iio ............................................ . 
Problemas ............................................. . 
Referencias ............................................ . 
CAPl'rULO 3 - PSBCROMETRIA E TRANSFERl£NCl.A DE CAILOR COM SUPERFf. 
CIE MOILHADA . . . . . . . . . . ................................ . 
3·1 A imponancia .......................................... . 
3-2 A carta psicrometrica ..................................... . 
3.3 A linha de satura9ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ................ . 
3.4 A umidade relativa ....................................... . 
3.5 A umidade absoluta ...................................... . 
3-6 A entalpia ............................................. . 
J. 7 0 volume especifico ...................................... . 
3·8 Transferencia simuhiinea de calor e massa; a lei da linha re ta ............ . 
3.9 Satura9ao adiabatica e temperatura de bulbo umido termodinamica ....... . 
3-IO Desvio entre as linhas isoentr6picas e as de temperatura de bulbo umido cons-
tante ................................................ . 
3-11 0 termOmetro de bulbo umido ............................... . 
3-1 l Processos . . . ......................................... . 
3-13 Comentlirio sobre a referenda a unidade de massa do ar seco ........... . 
3-14 Transferencia de calor sensivel e la1ente em uma parede umida .......... . 
. 3-15 Potencial de entalpia ...................................... . 
3-16 Conclusoes a partir do polencial de entalpia ...................... . 
Problemas. . . . . . . . . . . . ................................ . 
Referencias ....................................... , .... . 
C.·WI'fUILO 4 - CARGAS TfRMICAS DE AQUECKMENfO E REFRIGIERA(::AO .. . 
4· I lntroduyao ............................................ . 
4-2 Criterios de Conforto e saude ............................ ' ... . 
4-3 Conforto termico ........................................ . 
4·4 Qualidade do ar ......................................... . 
4-5 Estimativa das trocas termicas ................................ . 
4-6 Condi¥Cies de projeto ...................................... . 
4-7 Transmissiro termica ...................................... . 
4-8 Cargas de ventila«;:ao e de infiltra«;:ao ............................ . 
4-9 Resumo do procedi~1en10 para a estimativa das cargas termicas de aqueclmen· 
to .. ' . . . .... : ' ..................................... . 
VI 
28 
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78 
~omponentes da carga termica de resfriamento 
.-l l Carga resultanle da gera'tlio interna de calor ............. · . · · · : · · · 1 • 
4-12 Carga termica de inso!a9iio atraves de superficies transparentes ........... · ,. • 
4-B Carga de insola<;ao em superf!cies opacas .......................... 
4-14 Resumo do procedimento para estimar a carga de refrigera9ao ........... . 
Problemas ............................................ . 
Referencias ........................................... . 
CAPITULO 5 - S&STEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR .............. , . 
5-1 Sistema de distribui9ao lermica ...................... " ....... . 
5·2 Sistema zana simples c!assico ................................ . 
5-3 Controle do ar externo ........................... · · ..... · · · 
5-4 Projeto de um sistema zona simples ............................ . 
5.5 Sistema de Z0!1aS mulliplas . . . . . . . . . . . . . . .................. . 
5-6 Sistema com reaquecimento terminal .......................... . 
5-7 Sistema de duplo duto ou multizona ........................... . 
5-8 Sistemas com volume de ar variavel ............................ . 
5-9 Sistemas de agua .................. · . · · . · . · · · · · · · · · · · · · · · · 
5-JO Sistemas unitarios ....................................... . 
Problemas ............................................ . 
Reforencias . . . . . . . . . . . . . . . ........................... . 
CAP(TULO 6 •· OUTOS E VENT!LADORES ........................... . 
6· I Circulando o ar ............................. · • · · · ... · • · · · 
6-2 Perda de carga em dutos relos ............................... . 
6-3 l'i:rda de carga en) dutos retanguiares ........................... . 
6-4 perda de carga em conexoes ................................. . 
6-5 0 termo pV 2 /2 ................ _ ........................ . 
6-6 Expansao brusca ....................................... . 
6-7 Contra((ii'O brusca ....................................... . 
6-8 Curvas ....................................... · ... · · · · · 
6-9 Ramifica'<oes de extra9ao ......................... · ........ · 
6-10 Ramifica9oes tie admissao .................................. . 
6-ll Dimensionamento dos dutos ........................ : ........ · 
6-12 0 metodo da velocidade ................................... . 
6-13 0 metodo de iguais perdas de carga ......................... ' .. . 
6-14 Otimizac;ao de sisiemas de dutos .............................. . 
6-15 Balanceamento do Sistema .................................. . 
6-l 6 Ventiladores centrffugos e suas caracteristicas ..................... . 
6-17 !Leis dos ventiladores ............................ · ........ · 
6-18 Dis1rib11i9ao de"' em recinws ............................... . 
6-19 Jatos circulares e pianos ................................... . 
6· 20 Difusores e indu'tiio ...................................... . 
Prob le mas ............................................ . 
Referendas ................................ · · · · ... · · · · · 1 • 
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97 
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CAPi'rUW 7 - TUBULA~OES E BOMBAS ........................... . 
7-l Tubuias;Oes de agua e de fluldo refrigeranle ...................... . 
7-2 Comparas;ao da agua com oar coma meio de lransporte de energla ....... . 
7-3 Aquecedores de agua .................... , ................ . 
7-4 Dislribui\;ii'O de calor dos sistemas de agua quente .................. . 
7.5 Sistemas de agua a alta 1emperaturn ...... : ........ , ........... . 
7·6 Tubas disponiveis ....................................... , 
7. 7 Perda de carga no escoa~emo de agua em tubas ................... . 
7-8 Perda de carga em acess6rios de tubula9ao ....................... . 
7-9 Tubula9ao de refrigenmte .................................. . 
7-IO Caracteristicas de bombas e sua escolha ......................... . 
7-U Projeto do sistema de distribui~ao de agua ....................... . 
7·12 Dimensionarnento do tanque de expansao ....................... . 
Prob le mas ............................ , ... , ........... . 
Referencias ........................................... . 
CAPITULO 8 - SERPENTINAS RESF.IUADORAS E DESUMJDIFICADORAS .... . 
8-1 Tipos de resfriadores e desumidiflcadores de ar .................... . 
8-2 Termlnologia .................... , ..................... . 
8-3 Carac1eris1icas do ar que escoa atrnves do resfriador (processo ideal) ...... . 
8-4 Trnnsferencia de calor e massa ............................... . 
8-5 Calculo da area da superffoie de um resfriador. .................... . 
8-6 Remo9ao de umidade ..................................... . 
8-7 Curva de estado real para uma serpentina ........................ . 
8-8 Deterrnina9!0 das condi\;1'.les de salda ..... · ..................... . 
8-9 Serpenlina parcialmente seca ................................ . 
8-10 Comportamen10 da serpentina a partir de catfilogos de fabricantes ....... . 
Problemas ............................................ . 
Referencias ........................................... . 
CAP!'mw 9 - CONTROLE EM AR CONDIClONADO ................... . 
9-l A fun9ao dos controles .................................... . 
~., 2 Con~role pneumatico, eletrico e eletr6nico ....................... . 
SI 3 Componentes do controle pneumatico .......................... . 
9-4 Termostatos de a9ao direta e inversa ........................... . 
9-5 Transdutor de temperatura com controlador ...................... . 
9-6 Valvulas para Hquidos .................................... . 
9· 7 Projeto de sisterna "a prova de falha" (fail-safe) .................... . 
9-8 Fai.xa de regulagem . . . . . . . . . . . . . . . . ..................... . 
9·9 Reglstros .................................... ' ....•.... 
9·10 Controle dear extemo .................................... . 
9·11 Protegiio contra congelam<;mo ............................... . 
9·12 Opera~es seqilenciais ...........................•....•.•.• 
9.13 Outras va!vulas, chaves e controles •.................•.......... 
9-14 Projeto de um sistema de comrole ............................ . 
9·15 Umidisiatos e umidificadores ...............................•. 
9·!6 Terrnostato principal e secundario .. , ......................... . 
vm 
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ISO 
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9 17 Mudanlia vera:o-inverno ................ , . , · .. · · · · · · · · · " · · · · · 
9-18 Sele9ao e caracterfsticas das valvulas ............. · . · . · · · · · · · · · · · 
9· l 9 Estabilidade de um sistema de controle da temperaturn do ar. ..... · .. · · · 
9-20 Reajuste da temperatura baseado na carga em :wnas ... · · .... · · · · · · · · · 
9-21 Controle eletrico, eietronico e par computador ....... · · .. · · · · · · · · · · 
l>roble1nas ................... · ... · · · · · · . · · · · · · · · · · · · · · · 
Referencias ........................................... . 
CAPITULO W - 0 CKLO DE COMPRESSAO A VAPOR ................ · · · 
IO·I 0 ciclo de refrigera\;aO mais impurtante ........... · · · ... · . · · · · · · · 
l0-2 0 ciclo de refrigera9ao de Carnot ............... · · · · · · · · · · · · · · · 
I0-3 Coeficieme de eficacia ...................... · · · · · · · · · · · · · · · 
10-4 Refrigerante ................... · · .. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
JO.S Condi90es parn um coeficiente de efic~cia maxima ... · · · · · · · · · · · . · · · 
I0-6 Limites de tempcratura ...................... · ..... · · · · · · · · · 
10·7 Bomba de calor de Carnot. .................... · · .. · · · · ... · · · 
10-8 0 uso do vapor como refri~erante ................ · · ... · · · . · · · · · 
10-9 Modifica90es no ciclo de Carnot ................ · · · · · · · · · · · · · · · 
10-IO Compressao umida e seca ..................... · · .. · · · · · · · · · · 
10-l l 0 processo de expansao ..................... · · . · · . · · · · · · · · · 
10-12 Cicio padra:o de compressiio a vapor ............. · · · .. · · · · · · · · · · 
10-13 Propriedades dos refrigerantes ................. · · . · .. ·· · · · · · · · 
10-14 Desempenho de um ciclo padrao de compressao a vapor ............ · · · 
10-l S Trocadores de calor ................... · .... · · · · · · · · · · · · · · · 
I0-16 0 ciclo real de compressao e vapor ....... '. ............. · · ... · · · 
Problemas .......................................... · · · 
Refer~ncias ........................................... . 
Al - COMPRESSORES ................... · . · . · · · · · · · . · · · 
Tipos de compressmes .......................... · · · · · · · · · · · 
P1.me I: Compressores allemativos . ......... · .... · · · · · · · "· · · · · · · 
1-2 Compressores herme1icos .................... · · · · · · · · · · · · · · · 
1-3 Unidades condensadoras ................. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
1-4 Desempenho ............................. · · · · • · . · · · · · · · · 
l ·5 Eficiencia volumetrica ........... · · ... · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
1-6 Desempenho de um compressor ideal ............ · · · .. · · · · · · · · · · 
1-7 Potencia ......................... · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
l-8 Capacidade de refrigera\;liO ........ · . · ... · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
l-9 Coeficienle de eficac!a e vaz!lo em volume por quilowatl de refrlgera9ao . · · · 
1-IO O efeito da t~mperatura de condensa9ao ...... · ... · · · · · · · · · · · · · · · 
1-1 l Desempenho de compressores alternatlvos reais ...... · · · . · · · · · · · · · · • 
H 2 Eficiencia volumelrka efetiva ................. · · · · · · · · · · · · · · · 
l-13 Eficiencia de compressao ; .............. · .... · · · · · · · · · · · · · · · 
l-14 Temperatura de descarga do compressor .......... · · · · · . · · · · · • · · · 
1-15 Controle de capacidade ........... · . · .. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
Parre II: Compressor para/mo ................. · · · · · · · · · · · · • · , 
1-16 Principia de funcionamento .................. · · · · · · · · · · · · · · · 
~·. 
199: 
200 
203 
203 
204 
205 
207 
208 
208 
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2!0 
21! 
211 
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2.39 
239 
240 
242 
242 
l l-17 Carac1eris1kas de desempenho de compressores parafuso ............. . 
11-18 Controle de capacidade .................................... . 
Parte Ill: Compressor de palheras ................... : ......... . 
11-19 Compressores de palhetas .................................. . 
Parte JV: Compressores centrfjitgos ........................... . 
11·20 0 papel do compressorcentrffugo ............................ . 
1 l-21 Funcionamento ...................................... , .. . 
! l-22 Extraqao do gas obtido por reduq(')es de presslio ................... . 
11-23 Caracterlsticas de desempenho ............................... . 
l l-24 Relaqao entre a velocidade periforica ea pressao ................... . 
11·25 Escolha do rotor e do refdgerante ............................. . 
l l-26 Sobrepress.io .......................................... . 
l l-27 Controle de capacidade .................................... . 
U-28 A fatia de mercado de cada compressor ......................... . 
Prob le mas . . . . . . . . . ........................... , ...... . 
Referencias ........................................... . 
CAPITULO l 2 - CONDENSADORES E EV APO RADO RES ....•............. 
12· I Condensadores e evaporadores co mo 1rocadores de cal or .............. . 
12·2 Coeficiente global de tr~nsforencia de calor . . . . . . ............... . 
12-3 Escoamento de lfquidos em tubos; transferencia de calor e perda de carga .. . 
12·4 Escoamento de Uquido na carca:,.a; transferencia de calor e perda de carga .. . 
l 2-5 Superficies estendidas; ale1as ................................ . 
l :>-6 Escoamento de gases sobre tubos aletados; transferencia de calor e perda de 
i2·7 
12·8 
12-9 
12·10 
12·1 I 
17-12 
12-13 
l 2-14 
12-15 
12-16 
12-17 
12-18 
12-19 
12-20 
carga ...................................•............. 
Cond1:nsadores .......................................... 
Capaddadc de co11densa9ifo neccssaria .......................... . 
Coellclcnte de transfon~ucia d~ calor por convccqilo ua com.!cnsas;ilo ...... . 
Fator de encrustas;a:o ..................................... . 
Desuperaquec!mento ..................................... . 
Prnjeto de um condensador ................................. . 
Graficos de Wilson ....................................... . 
Ar e gases nao condensaveis ................................. . 
evaporadores .......................................... . 
ELulivao na carca\:a ...................................... . 
ELuli9ao dentro dos tubos .................................. . 
Compor1amen10 de evaporadores ............................. . 
Pc rd a de carga nos tubos .......................... .' ........ . 
Congelamento .......................................... . 
Problemas ............................................. 
Refer~ncias ............................................ 
rc~~-1;u~n!l~d:!:~pt~p~;1~~S.~~ .E.~P·A·~~~~:::::::::::::::::::::::: 
· 13· 2 Tubos capilares ......................................... . 
13-3 Sele~ao de um tubo capilar ................................. . 
l 3-4 Determina1ra:o da perda de pressao em um wbo capilar ............... . 
x 
24<', 
246 
246 
246 
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284 
284 
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289 
290 
29() 
29ol 
293/ 
293/ 
13-5 Determina11ifo do comprimento de cada incren1ento ................. . 
13-6 Escoamemo blocado ..................................... . 
13-7 Mewdo gnilico para a seleqilo de tubos capilares ................... . 
13·8 Valvula de expansao de pressilo conslame ....................... . 
13-9 Valvulas de b6ia ........................................ . 
13-10 Valvulas de expansao termostaticas (conuoladas por superaquecimento) ... . 
13-l l Ciassifica9ao das valvulas de expansilo tennoslatiCaS segundo OS fabricanteS .. 
13-12 Valvulas de expansao eletricas ............................... . 
13-13 Aplicaqoes ............................................ . 
Prob le mas ..................................... 1 ••••••• 
Refori:ncias ........................................... . 
CAi>I'rULO 14 - ANAUS.E DO SISTEMA DE COMPRESSAO A VAPOR ........ . 
14·1 Pontos de equilfbrio e simula9ao do sistema ...................... . 
14-2 Compressor aitemativo .................................... . 
14-3 Componamento do condensador . . . . . . . . . . .................. . 
l 4-4 Simulaqao grafica do subsistema da unidade de condensaqiio ........... . 
14-5 Simulaqao matematica do subsistema de condensa<;ao ................ . 
14-6 Comporlamento de evaporadores ............................. . 
14-7 Simulat;ao grafica do comportamento do sistema completo ............ . 
14-8 Simula9ao ma1ema1ica do sistema completo ...................... . 
14·9 Algumas tcndencias de comportamemo ......................... . 
14· IO 0 subsistema de expansiio .................................. . 
14-ll Analise de sensibilidade ................................... . 
Problemas ............................................ . 
Reforencias ........................................... . 
CA!'i'f!.JLO 15 - REF1UGERANTlES ................................ . 
l 5-l Refrigerantes primarios e sccundarios .......................... . 
15-2 Compostos halocarbonicos ................................. . 
15-3 Composws inorganicos .................................... . 
l 5-4 llidrocarbonetos ........................................ . 
l 5-5 Azeotropos ........................................... . 
15·6 Comparai;;ao termodinamica de alguns refrigerantes comuns ............ . 
l 5-7 Comparai;;ao ffaica e qufmica ................................ . 
15-8 Condutibilidade terniica e viscosidade dos refrigerantes .............. . 
15·9 Dt:plc~ao de ozoua ........................................ 
IS-JO Bases de escolha de refrigerantes .............................. . 
15· I 1 Refrigerantes secundarios .................................. . 
Problemas ............................................ . 
Refcrencias ........................................... . 
r
Ariruw 16 SiSTEMAS MULHl'RESSAO ......................... . 
l 6- l Si,s1~1~1as mul!ipre~sao em refrlgera~ao industrial .................... ·. 
16-2 Separador de liqu1do . . . . . . ............................. , . 
16·3 Resfriamento intermedidrio. . ............................. , , 
l 6-4 Um ev,1poiador t: um compressor ....................... , ... , ~ J;; 
296 
298 
300 
302 
303 
303 
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309 
3!0 
JU 
311 
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331 
331 
331 
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338 
339, 
16-5 Dois evaporadores e um compressor ........................... . 
16-6 Dois compressores e um evaporador ........................... . 
16-7 Dois compressores e dois evaporadores ......................... . 
16·8 Equipamentos auxiliares ................................... . 
16-9 Compressores compostos ............................... , .. . 
16-IO Sistemas de recirculayao de Hquldo ............................ . 
16-11 Sumarlo ............................................... . 
f'roblemas ........................................... '. . 
CAPi'TULO i 7 - REFR.IGERA<;AO POR ABSOR\:AO .................... . 
17-1 Rela9ii"o entre o ciclo de absoryll:o e ode compressao a vapor ........... . 
17·2 0 ciclo de absor9ifo ...................................... . 
l 7-3 Coeficiente de eficacia de urn ciclo de absor9iro ideal ................ . 
17-4 Propriedades. de concen1ra9ao-tempera1ura-pressiro de solu95es de LiBr·agua .. 
17 .5 Calculos das vaz5es em massa nos ciclos de absor9ao ................ , 
17·6 Entalpia de sol1.190es de UBr . . . . . . . . . ...................... . 
11-7 Analise termica de sistemas de absor9l!o simples ................... . 
17-8 Cicio de absor9iio com tmcador de calor ........................ . 
17·9 Configunwao de unidades de absor9ao comerciais .................. . 
17-10 Cris1a!iza9iro ........................................... . 
17-U Connole de capacidade .................................... . 
!7-12 Sistema de duplo efeito ................................... . 
l 7· 13 Combina9ao com sistema de compressao de vapor em sistemas operados com 
vapar ............................................... . 
17.14 Sistema·ligua·amonia . . ....................... , .......... . 
!7-15 0 papel de unidades de absor9ao na pra1ica de refrigera9ao ............ . 
Problemas ............................................ . 
Referencias ............................. : ............. . 
<.:APffULO 18 - IlOMBAS DE CALOR .............................. . 
18-1 Tipos de bombas de calor ............................•...... 
18·2 Tipo compacto com ciclo reversfvei ........................... . 
18·3 Fontes e sumidouros de calor para bombas de calor reverslveis do 1ipo com-
pacla ................................................ . 
l8·4 Desempenho da bomba de calor com ar como fonte de calor durante o aqueci· 
mento ............................................... . 
18·5 Cus1os cornparativos de aquecimento .......................... . 
18·6 Equipanmdo a capacidade de aquecimento a carga de aquecimento ...... . 
18-7 Dimens!onando a bomba de calor ............................. . 
18·8 Domba de calor descentralizada ............................•.. 
l 8·9 Con<lensador com feixe duplo ............................... . 
18-JO Bombas de calor industrials ................................. . 
18·! I 0 fuluro da bomba de calor ................................. . 
Problemas ............................................ . 
Referencias ........................................... . 
XU 
341 
349 
352 
356 
356 
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357 
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392 
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398 
399 
400 
CAPl'fULO 1 !I - TORRES DE RESflUAMENTO E CONDEN~~~~~~ ~~ ~~~~-. ·' 
Ti.VOS ....... · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·........ . ....... , . 
19·1 Rejei91ro de calor para a atmosfera .............. ·. '. '. '. : . . . . . . . . . . . 
l9·2 Torres de resfriamento · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · . . .... 
19·3 Analise da tone de resfriamento de contra-fluxo ........... '. : . : ....• 
. 401 
401. 
401 
403 
l 9-4 lntegral(iio por passos. · · · · · · · · · · · · · ' · · · · · · · · · · '. : : : ........ . 
19-5 Testes de aceita9lio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......... . 
19·6 Previsiio das condi9oes de salda da tone. . . . . . . . . . . . . . . . ........ . 
19·7 Estados do ar atraves da tone de resfrlamenlo .......... : : ......... . 
19·8 Torre de resfriamento de fluxo cru~ado. . .........•............. 
.. 404 
408 
408 
408 
410 
19·9 Condensadores evaporativos e :~sfnadloresc~~d~n~do.r ·e~~~orativo ou resfria·. 
19-10 Quando usar uma torre de res namen o e ........ . 
dor .... · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ...... . . . . . . . . . . . . . . . . .. ~ . 
Problemas ... · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ............... . 
Referencias .. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
CAPiTUlO 20 - JENJERGIA soi,AR .................. ' . : : : : : : : : : : : : : 
20-1 Alguns campos da energia solar. ~ ... : ............ : ............ . 
20·2 lintensidade de radia<tao: uma v1sao geral . . . . . . . . . . . . .......... . 
20-3 Geometria solar. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
20-4 Fluxo de radia9ao dire ta do sol, lDN · · · · · · · · · · · · · · · · : : : : : : : : : : 
20-5 Caracter!sticas do envidn19arnento .............. : '. '. ........... . 
20·6 Coletores solares · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
20-7 Armazenamento de energia · · · · · · · .' · ~ · · · · · · · · · · · · · : : : : : : .... 
20·8 ln1egrn<tlfo dos sisternas solar e da hab11a9ao ............ . 
- .......... . 
20·9 Pcojelo solar passivo. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ......... . 
20.10 Economia das lnstalai;Oes solares ". . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
Problemas .. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · .......... . ......... ·, ........ . 
Referencias . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
CAPITULO 21 _ ACUSTICA E CONTROLiE DE RUii')O · · · · · .... ' . : : : " " " : '_ : 
. 21-l 0 estudo do some da acustica. . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . 
·21 _2 Ondas acusticas unidimensionais. · · · · · · · · · · · · · · · · · · : : : : : : : : : : : . 
21 ·3 Ondas estacionarias . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · . 
21 .4 Energia de uma onda sonora · · · · · · · · · · · · · · · · · · : : : : : : : : : : : : : : . 
21-5 lntensidade, potencia e pressiio . . . . . . . . . . . . . . . . . ..........•.. 
21 .6 Nfvel de potencia e pressllo · · · · · · · · · · · ', · · · · · · · · .......... . 
21·7 Nivel de intensidade e nivel de pressao sonora. . . . . . . . . . . . .... . 
21-8 Especno sonoro . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
21 .9 Combinayao de fontes sonoras · · · · · · · · · · · · · · · · ' · · · · · · : : : : : : : : : 
21-10 Absorvidade ·. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ..... . 
21-11 Caracteristicas do recinto · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ' · .. . 
21 .12 Pro'eto acustico de ediffcios · · · · · · · · · · · · · · ........... ' . . . . . . 
21-13 Tra~smissaoderuldodeventiladoresedoaremdmos ..... ::::::::: .. 
21-14 Conclus5es. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · . . . . . . ........ . 
Prob le.mas .. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · . ................. t: 
Referencias · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 
414 
415 
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453 
AP£NDHClE •. 
Tabela A·l 
Tabela A·2 
Tabela A-3 
Tabela A·4 
Tabela A-5 
Tabela A-6 
Tabela A·7 
Tabela A·8 
Figura A·l 
Figura A-2 
Figura A-3 
Figura A-4 
Figura A-5 
XlV 
Agua: Propriedades do lfquido e do vapor saturados ............. . 
AI umido: Propriedades 1em1odinlimicas do ar saturado a pressilo atmos-
ferica ........................................... . 
Amonia: Propriedades do liquido e vapor saturados ...... ; ...... . 
Refrigerante 11: propriedades do Uquido e vapor saturados ........ . 
Refrigerantt: 12: propriedades do Uquido e vapor saturados ........ . 
Refrigeran1e 22: propriedades do liquido e vapor saturados ........ . 
Refrigerante 22: propriedades do vapor superaquecido .......... . 
Refrigerante 502 propriedades do llquido e vapor saturados ....... . 
Diagrama pressao-entalpia do vapor de amonia ~uperaquecido .....•. 
D~agrama pressiio-entalpia do vapor de refr!gerante l l superaquecido .. 
D~agrama pressiio-entalpia do vapor de refrigerame 12 superaquecido .. 
D1agrama pressao-entalpia do vapor de refrigerante 22 superaquecido .. 
Diagrama pressao-entalpia do vapor de refrigerante 502 superaquecido . 
Referencias ....................................... . 
fodice Ana!ltico ..................................... 
455 
455 
457 
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PRE FACIO 
Existe um motivo convencional e um especial para esta segunda edi9ao de Refrigeraf'tfo e 
Ar Ccndicionado. 0 motivo corivencional e que em 24 <mos, desde o aparecimento da primeirn 
edi~:ro, alguns dos equipamenlos e sistemas passaram a ter uma importancia secunparia devido 
ao surgimento de novos produtos e conceitos. 0 motiv.:. especial para a nova edi<;ao e o impacto 
que a efich~ncia energetica exerce atualmente sobre slstemas de aquecimento e resfriarnento. A 
consciencia do problema energetico mudou de fonna p~·ceptlvel os equipamentos e conccitos 
de projelo em refrigera9lio e ar condicionado. Alem disso, a maioria dos engenheiros preve que 
os dias de energia barata nao irao retomar, e portanto as preocupa90es de conserva9lro de ener-
gia devem agora ser permanentes. 
Esta segunda edi9ao difere da primeira principalmente porque nesta e feita uma apresen· 
ta~ao mais detalhada sobre sisternas de ar condicionado, enquanto a enfase tecnica sobre siste· 
mas de compressll'o de vapor nao s6 fol mantida como refor9ada. 0 material novo que lraia de 
ar condicionado em edifica9lles subslitui varios capitulos (criogenia, jato de vapor e ciclos de 
ar) que szo de imporlancia reconhecida, mas a engeuharia desles sislemas na pnitica profisslo· 
nal e normalmenle exercida por engenheiros que nllio sao da iirea de conforlo termico, refrige· 
ra~i!o e ar condicionado industrial. 0 cornputador digital e hoje uma ferramenla importante 
para os engenheiros, e este recurso e utilizado em alguns calculos e problemas. 
Algumas se9oes e particulannente as caractedsticas da primeira edi9ao foram manlidas. 
A edi93'0 anterior atingiu aceila9ll'o mundial, satisfazendo aparentemenie as necessidades daque-
les que procuram um livro tecnico que, alem das descri9oes, irate os assuntos quantitativamen-
te. Esta edi\:l!'o procura manter a enfase sobre avalia11oes qualitativas e te1.1dencias, sem introdu· 
zir complexidades adicionais, a menos que haja a compensas;:ro de uma melhor compreensao 
do assunto. 
Os autores sa:o gratos a numerosos profissionais do setor cujas opinioes influenciaram na 
scli.:9ao de 16picos, enfases e ua aprese11ta9ao tecnica deste livro. Em especial, agradecemos aos 
seguintes colegas: Lanny G. Berglund, da Funda9!10 John ll Pierce; Jolm C. 01a10 e Arthur M. 
Clausing, da Universldade de lliinois em Urbana; fames E. Shahan, da Transco inc.; Gary C. 
Vliet, da Universidade do Texas em Austin; e Jan1es f. Woods, da Universklade de Iowa. 
W. F. Swecker 
J. W. Jones 
CAPfTULO 1 
APLICA<;OES DA REFRIGERA<;AO E DO AR CONDICIONADO 
As areas de refrigera9:ro e ar condicionado sao correlatas, embora cada uma tenha seu 
campo especifico de atua\fao, como se mostra esquematicamente na Fig. l·l. A aplica9ao mais 
disseminada da refrigeras;ao e, sem duvida alguma, o ar w.1dicionado, embora oulras areas 
podem ser citadas, tais como refrigerarao industrial, que inclui o processamento e a conserva· 
~ao de a!imentos, a rcmo9ifo de calor de substancias em industrias quimicas, de pclr6lco e 
pelroqulmicas e, muitas outrns aplicaqoes em industrias de conshl19ilo c manufaturn. A excm· 
plo da refrigernyao, ar condicionado eucoutra aplica<,;oes outras disliutas do !iimples resfria· 
mento. Ar condiciouado de conforto e definido" como o processo de coudicionamcnto de ar 
objetivando o controle de sua temperatura, umidade, pureza e distribui~iio !lo senlido de pro· 
pon:ionar co!lforlo aos ocupantcs do reciuto condicionado. Assim, coudicionamento de ar 
inclui processos, tais como, aquecimento ( o qua! inclusive na:o envolve refrigenu;ao, exceto em 
aplica.;ocs de bombas de calor), radia9ao termica e regulagem de velocidade e qualidade do ar, 
incluindo a rcmoi;a:o de partlculas e vapores. 
Os engenheiros podem aluar tanlo na pesquisa, desenvolvimeulo e aplka<;lfo de equipa· 
mentos de uliliza9a:o na area, coma no projeto de sistemas que utilizem esses equipameutos. 
Embura nau hajam barreirns para o deslocamento de engcnheiros enlre as dislintas areas mos-
tradas na Fig. l-1, a atua9ao das firmas comerciais e, portanto, de seus engcnheiros, tende a 
se concenirnr quer na area de ar condicionado quer na de refrigera91io industrial. As tempera-
turas das aplica9oes da refrigera9ao industrial podem atingir valores ate -60°C. Temperaturas 
iuferiores correspondcm a aplica.;oes criogenicas como as industriais, de gas industrial (separn· 
9ao do nilrogenio e oxigenio do ar) e de gas natural liquefeito, e a obten~ao de temperaluras 
pr6ximas Jo zero absoltao. 
• As referencias numerada.'l •ao apresentadas ao final de cada capitulo. 
1 
2 Refrigerariio e Ar Co11dicionado 
Est~ capitulo tern por objetivo mostrar a diversidade de aplicaiyoes da refrigera9ao e do 
ar condidonado. Algumas das aplicai;Oes de condicionamenlo de ar, que sera:o descritas, envol-
vcm edificios de porte medio e grande, induslrias, residencias e veicu!os. Na area de refrigera9a:o 
scrao tkscrilas aplica\Oes nas induslrias de alimentos e de processamenlo termico. Embora a 
capacidade associada a aplicaqoes especiais de refrigerai;;ao seja pequena comparada a do condi-
cionamcnto dear ou da refrigera9a:o de alimentos, essas aplica11oes conslituem-se, na:o raro, em 
um dcsalio lernico. 
1-2 Ar Condicionado em Ediflcios de Porte Medio e Grande 
A maioria das unidades de condicionamento de ar estao associadas a aplica11oes de confor· 
to. Sistemas para resfriamento de ar durante o verao tomaram-se obrigat6rios em edificios de 
grande porte no mundo inteiro. Mesmo em regioes onde as temperall1ras de veril'o nao sejam 
elevadas, edificios grandes devem ser resfriados para compensar o calor Hberndo por pessoas, 
luzes e outros aparelhos e!etricos. Em regioes de lemperaturas de vera:o elevadas, o resfriamenlo 
do ar pode conlribuir, por excmplo, para o aumento da efelividade no trabalho. Em edif!cios 
de grande porte s(Io nonnalmente utilizados sistemas cenlrais, que podem se co11s1ituir de uma 
central de resfriamento e outra de aquecimento de agua (conhecida como caldeira) loca!izadas 
em uma sala de maquinas. Os recintos condicionados podem ser servidos por um ou mais siste-
. mas de fomecimento e de retomo de ar, como exposto no Cap. 5, ou por lrocadores de calor 
loca!L1.ados no pr6prio recinto, aos quais se fomece agua quentc ou fria. 
Ar condicionado 
Aquecimento, 
umidificar;ao 
e cantrole da 
qu alidade do ar 
Refrigerar;<l'o 
Figura l·I Rela1t:io cntre as areas de rofri~era1<iio e Jc conuiconamcnto dear. 
Em edificios comerciais ou industriais de um i'.mico andar, unidadesde instala9ao no 
telhado (Fig. 1-2) podem ser utiliLadas": A unidade da Fig. 1·2 e uma bomba de calor (ver 
Capi!ulo 18), que pode proporcionar tanto refrigerai;ao quanta aquecimento. 
Uma aplica~a:o importaute do ar condicionado e em hospilais3 e edificios correlatos, que 
exigem condi<;:oes especiais nao encontradas em ediffdus comi::rciais. Assim, sao comuns 
• NT. Essc tipo de unidauc nao foi muito Jissemlnado no Brasil at~ o momento. 
Ap/icaroes da Refrigera9iio e do Ar Condicionado 1 
:lj' t';:·. '. 
... 
Figura 1·2 Uma unidade de instala1filo em telhado. (Lennox fndusrries, Inc.) 
normas que impocm ventila;,;a-o com 100% de ar exlemo, alem de limHar o valor minima da 
umidade para cvitar a oconencia de eletricidadc estatiL:. em salas de opera9ao. Tais exigencias 
aliadas a necessidadc de um sistema eficiente em krmos de conservai;ao de energia rcpn:scntam 
um verdadeiro desafio tecuico. 
1-3 Ar Comlicionado haluslrial 
0 termo i.u comlicionado industrial utilizado nesle texlo refere-se tan to ao lratamento do 
ar para propiciar condi9oes m!nimas de conforto a trabalhadores em amhientes insalubres, 
como ao c011trnlc das condii;ocs do ar cm um delerminado processo industrial. 
A111iecimemu Luca/izado 
Durante o inverno pode ser mais interessanle aquecer uma regiilo especlfica ond: se loca-
!ita u operario. Tai aquecimeulo pode ::><!r couseguido atraves di:: um aquecedor infra·vermelho4 , 
quc irrndia uma dctenuinada area quando aquecido por um queimador ou elelricamente. 
Re;ji"ia111e11w Luca/izado 
0 resfriamento em uma sidcrurgica podc ser impraticavel, mas condil(Cies razoaveis podem 
ser mantidas 11a regiao de lrabalho dirigindo-se correntes dear frio para as z~nas ocupadas. 
/,u:bormJrius Ambielllais 
0 papd do ar condicionado em laborat6rios ambicntais pode variar6: desde a manuten£3.0 
de u111a t<.:mpcrnturn de -40°C para ti.:ste 1.k motorcs a baixa lcmpcratura, ale a altiis tempera· 
turas e umidades para es!udo do compollamculo de a11imais7 em climas tropicais. 
Refrigerari!o e Ar Condicionado 
lmprensa 
0 controle da umidade e a principal razllo para o uso do ar condicionado em instalal(Oes 
impressoras. Em alguns processos, o papel passa por sucessivas impres$i'les de rnodo que o ar 
condicionado deve ser mantido para garantir um registro apropriado. Outros problemas causa· 
dos por umidade excessiva s!lo; a ele!ricidade estatica, a daniftcas;llo do papel c o tempo cxcessi· 
vo para secagem da iinta. 
Ttxuis 
Como o papci, o tecido e rnuilo sensivel a varias;Oes da umidade e, ate cerio grau, tambem 
da lemperalura. 0 fio (filamento) move-se a altas velocidades nas maquinas de lransformas;llo 
. das modernas industrias t<!xteis, de modo que varia9C'.ies de flexibilidadc e resislencia do fio, 
alem da produs;a-o de eletricidade estatica, devem ser evi!adas. 
Processos qe Alta Precisdo e Salas Limpas* 
No processo de fabrica9ao de componentes metalicos com toleriincias muito estreilas, o 
condicionamento do ar tem tres objelivos principais: manter a temperatun1 uniforme para evilar 
expansOes e contra9C'.ies do metal, manter um nivel adequado de umidade para evitar a forma9ilo 
de ferrugem e manter a fillrngem do ar para minimizar a quantidade de parliculas s6lidas no 
recinto. Uma tecnologia para salas limpas 8 (Fig. 1-3) foi desenvolvida como resullado das exi-
g~ncias de projeto e conslrn9lio de ambientes para fabrica~a-o de componentes elelronicos e 
outros materiais. 
Fljj"ma i·l Uma sala limpa. (Weber Technical Products, Sub$i<lldria da Walter Kidde & Co., Inc.) 
• NT. 0 termo "sa!as limpas" e uma tradu1tiio literal do conhecido termo, em ingles, clean rooms. 
Aplicafoes da Refrlgera9iio e do Ar Condiclonado 
Produws Forogrdficos 
'·L 
A industria de produtos fotograficos 6 uma grande usuaria de ar condicionado e refrige· 
rayl!o. Material fotografico virgem se de!edora rapidameqte a altas temperaturas e um!dades. 
Outros maleriais, tais como aqueles utilizados no revestimento de filmes, exigem controle 
roso da temperatura. 
Salas de compurador 
0 objetivo do condicionamento do ar em salas de computador e o de controlar a tempe· 
ralura, a umidade e a lim1)eza do ar. Alguns componentes eletronicos do computador operam 
erraticamente quando se aquecem, de modo que a temperatura da sala deve ser mantida entre 
20 e 23°C para que a temperatura desses componentes seja adequada. Na realidade a lempera-
iura 6tima de operal(ao dos componenies e!etronicos deveria ser ainda menor. Entretanto, a 
faixa proposta acima deve salisfazer as exigencias de conforto dos operadores. A faixa de umi· 
dade relativa recomendavel e de 30 a 45%, uma vez que umidades elevadas podem acanetar 
uma alirnentas;iro de cartoes deficiente, ao passo que umidades baixas podem provocar estatica 
enlre os cartoes. Para armazenamento de fitas por perfodos longos exigem-se ternperaturas uni· 
formes. A filtragem cuidadosa do ar deve ser feita para propiciar uma opera9ao com um minimo 
de manuten9ao de equiparnentos como impressoras, acionadores de fitas e leiloras de cart.:Ses. 
Usinas Geradoras de Poiencia 
Condi9oes toleraveis pelos operadores de usinas geradoras de potencia tem sido tradicio-
nal.mente mantidas simplesmente por ventilagiro. Como resultado da constrnl(:l'O cada vez mals 
compacla alem do continuo aumento das taxas de calor liberado'*; o espa~o ex.igido por um 
sistema de dutos para a ventila9ao adequada tomou-se impratlcavel. Assirn, nas usinas moder· 
nas, os dutos de ventilas;llo foram substituidos por tubos que aiimentam de agua fria as serpen· 
linas de refrigeni9::To nos distintos espas;os confinados. 
l ·4 Ar Condicionado Residencial 
Cinco milht'.ies de condicionadores de ar sao vendidos por ano nos Estados Unidos da 
America, sendo a maioria de!es residenciais. Esses condicionadores s::To do lipo que serve um s6 
recinto. Outro tipo, denominado sistema unitdrio ou central, tambem usado em resido!ncia~. 
consiste de urna unidade condensadora, com compressor e condensador, localizada externamen· 
te ao ei.liflcio e o evaporador no duto de ar interno. As vehdas anuais desse iipo de condlclona· 
dor somam entre 3 e 5 milhOes de unidades. 
Nas ultimas decadas tem havido uma migral(!IO da popula9iio americana para os estado~ do 
sul dos Estaqos Unidos, no denominado "cinturiro do sol". Lfderes da industria de ar condici~ • 
nado afirmam que ta! deslocamento popu!acional na:o teri:i ocorrido nl!o fosse o uso 
zado do condicionamento do ar em residencias e nos locais de trabalho, neg6cios e lazer. 
,/• .. 
• NT. Evidentemente, o au tor refete·se a 1e11noeletricas, de pouco uso no Brasil ale o presen~e. ,t 
6 Refrigerafilo e Ar Condiciorwdo 
Outro sistema que tem apresentado um significativo crescimento em importancia e a 
bomba de calor residencial. Ela apareceu na decada de 50 com previsoes de que tornaria os 
equipamentos concorrenles obsoletos. Essas previsaes otimistas, enlretanto, nl!'o se concretiza-
ram principalmente em razao do elevado lndice de fallias mecanicas apresenlado por esse equi-
pamento naquela epoca. A melhora na qualidade do projeto e da fabricas;iio proporcionou o 
ressurgimento das bombas de calor no inicio da decada de 80, com vendas anuais no~ Estados 
Unidos entre 0,5 e I rnilha:o de unidades. 
1-5 Ar Condiciomido em Ve!culos 
0 veiculo em que o condicionamento de ar esta mais difondido e o autom6vel9 , para o 
qua! sao vendidos anualmente entre 5 a iO milhoes de sislemas". Outros velculos, entretanto, 
recebem condicionamento de ar, contando-se enlre eles onibus, trens, caminh6es (veja Fig. 
l-4), vefculos para recreac;:ao, tralores, cabines de ponies rolantcs, avioes e navios. O principal 
responsavel pela carga termica na maioria dessas aplica9oes ea radias;i'io solar e, no caso de trans-
porte publico,.o calor liberado pelas pessoas. As cargas sl!'o caracterizadas por varla~oes rapidas 
e por uma intensidade por unidade de volume elevada quando comparada com valores cones-
pondentes em edificios. 
F!aw11 l ·4 Um condicionadorde ar de caminhlio. (Kysor Manufacturing CO.) 
• NT. Novamente esses dados referem·se aos Est ados Unidos, om.le o co111.licionamento de ar cm automow1> 
1111e11eralizado. No llrasil esses numeros devem ser re<luiidos drasticamcn!c. 
1-6 Armazenamenle e Dislribui~ao de Alimenlos 
0 tempo de armazenamento de alimentos peredveis, tais como camcs, frutas e vegetais, 
pode ser prolongado por meio da refrigera~a:o .. Frulas, vegelais e produtos .jndustrializados cje 
came, como os frios, sao armazenados a iemperaturas muito pr6ximas do pon!o de congela· · 
mento .. Algumas qualidades de came, peixe, vegetais e mesmo as frutas podem ser congeladas, 
permitindo o seu armazenamento a baixas temperaturas por meses ate que sejam descongelados 
para seu uso pelo consumidor. 
0 ciclo de um alimento congelado consis!e das seguinles etapas: congelamento, armazena· 
mento em camaras refrigerndas, comercializas;ao e finalmente armazenamenlo em um congela· 
dor domeslico (freezer) ou no congclador de uma geladeira. 
Congelamen w 
As primeiras tentalivas de congelamenlo de alimentos esbarraram com a formai;;ao de eris· 
la is de gelo na regil!'o congelada, Pf pblema que foi posteriormente resolvido par ineio da conge-
la9ao nipida. Entre os processos de congelamento 10 podem ser citados o do congelamento por 
jato de ar, em que oar a aproximadamente -30°C e soprado a alla velocidade sabre pacotes de 
a!imento empilhados em e~tndos; o do congelamento por contalo, em que o alimento e coloca· 
do entre placas metalicas; o do congelamenlo por imersao, em que o alimento e introduzido em 
uma salmoura a baixa temperatura; o do congelamento em leito fluidizado, em que particulas 
individuais de alimenlo sao transportadas por uma esteira·e manlidas em suspensa:o por uma 
conenle dear frio (fig. l·S); e o do congciamento por mem de mna substllncia criogenica como 
o nitrogenio ou o di6xido de carbono. 
l'igun 1·5 Con~damonio f!l1 uma cslelra de leito l!uidizado. (lewis Refrigeration Company.) 
8 R4rigera~iio e Ar Condicionado 
Figwa 1·6 Um dep6sito reirigerado. (/ntemational Assocla1ion of Refrigerated Warehouse.) 
Armazenamento 
As frutas e verduras devem ser congeladas logo ap6s a colheita, e a came imedialamenle 
ap6s o corte para que a quaiidade seja man Iida. Transportados em caminhOes ou lrens, os ali· 
mentos congelados devem ser armazenados em c~maras, com temperaturas internas variando 
entre -20 e -23°C, onde permanecerao por meses. A qualidade do peixe pode ser man!ida 
desde que seja armazenado a lemperaturas inferiores as sugeridas acima. 
Dimibuiriio 
Das camaras de armazenamento dos alimentos congelados sao !ranspor!ados a mercados 
para a comercializa9ao. Nos mercados, os alimentos silo expostos em balcoes frigorfficos com 
lemperaturas variando entre 3 e s0 c ou seja, para frutas nao congcladas e lalicinios, e -20oc 
para al!mentos conge!ados e sorvetes. Nos Estados Unidos s<!o wndidos !00.000 balcoes frigo-
r!ficos por ano. 
Aplicaro~ da Refrigera!(iio e do Ar Com:Jiclonado 
Na outra extremidade do ciclo do alimento congelado, o consumidor o armazena em uma 
geladeira ou congelador (freezer) ate que seja retirado para consumo. Nos Estados Unidos, S 
milhoes de refrigeradores sa-o vendidos por ano. Durante muitos anos, neste pais o estilo e p 
custo inlcial foram os principais fatores no projeto e manufatura de refrigeradores domestlcos. 
A necessidade de conservar energia11 mudou entretanto os criterios de projeto, lrazendo de 
volta o desafio para o engenheiro no projeto <lesses equlpamentos. 
1· 7 l:'rocessamento de Alimentos 
Alguns alimentos requerem algum processamento antes de serem congelados e armazena· 
dos em camaras frigorificas. Esses processos tambem exigem refrigera9ao. 
Lcuicinios 
Os principais produtos derivados do leile sao mante,ga, sorvetes, queijos etc. No processo 
de pasleuriza9ao inicialmente o leile deve ser aquecido ate uma temperatura de aproximada· 
mente 73°C, a qual deve ser manlida durante 20s. A seguir o leite deve ser resfriado ate uma 
temperatura final de 3 a 4°C para armazenamento. Na produ9iro do sorvete 12 , os componentes 
devem inicialmente ser pasteurizados e a seguir cuidadosamente misturados. Posteriormenle a 
mistura deve ser resfriada ate 6°C, sendo, en tao, introduzida no congelador. Neste, a tempera· 
tura e reduzida ate -s0 c, quando a mistura toma·se pastosa, mantendo, porem, a fluidez, o que 
permite que seja introduzida em um recipiente. Dai em dianle o sorvete e armazenado em 
ambientes a temperaturas abaixo do ponto de congelamento. 
Exi£te uma grande variedade de queijos, cada uma obllda por um processo parllcular. 
Enlrelanlo, o procedimento basico de obten(.:liO do queijo consiste em aumentar a lemperatura 
do ieite ale 30°C aproximadamente, quando entao sl!o adicionadas algumas substancias, enlre 
as quais os coalhantes (em alguns casos e utilizada a renina). Parle da mistura solidifica·se for· 
mando o coalho. 0 Hquido em excesso (soro) deve ser posteriormente removido. Segue-se um 
periodo de cura, em ambientes refrigerados para a maioria dos queijos, quando a lemperatura 
e mantida a aproximadamente !0°C. 
Bebidas 
Na prodw;;11o de sucos co11centrados de frutas, cerveja e vinho, a refrigera\(il:o e um elemen· 
10 essencial. Em alguns casos o gosto pode ser ate melhorado, servindo·se as bebidas frias. 
Os sucos sao muilo populares em virlude de suas qualidades e do custo ra~oavel. e muilo 
mais facil concentrar o suco em lugares pr6ximos a regiao de colheita e lr~nsporta-lo no eslado 
congelado do que transportar a fruta in nawra. Para que o suco conserve o sabor da fruta a agua 
deve ser removida a baixas temperaturas, o que requer um processo a pressoes bem abaixo da 
almosferica. 
Na produ9a:o da cerveja, a refrigera9ao controla o processo de fermenta9ao e permite a 
preserva9ao dos produtos intermediarios e finais. Um processo importante na produ9lio de 
alcool e a fermenta9a-o que e uma rea9ao exotermica. Na produ9ao da cerveja, a fermentayao 
deve ser realizada a uma lemperatura variando entre 8 a i 2°c, mantida alraves de refrigera911q.~ 
A seguir deve ser armazenada e engarrafada em ambiente refrigerado (Fig. 1·7). ' 
! () Refrigerar;iio e Ar Condictonado 
f!gun 1·7 A refrigerai(lio e essencial em cervejarias. (Anheuser 811;-clt Company, Inc.) 
A razao pela qual produtos de panifica9i!o devam ser refrigerados e o equilibria enlre pro-
dui;ifo e demanda, a fim de reduzir a quantidade di; perdas. Alguns paes e biscoilos silo congela· 
:\os logo ap6s a fabrica'¥ao para propiciar um tempo maior de armazenamenlo antes I.la comer· 
Alualmenle e muilo conium a preparn~ao de massa e o seu congelamento posterior 
,iara uso futuro. Tai proccdimento pode ser bastan!e econ6mico, principalmente quando a 
prouu9l!o e elevada, uma vez que as caracteristicas dos ples, o aroma, por exemplo, sao preser-
vadas. 
Alguns produtos biol6gicos e alimentares podem ser conservados pela secagem por conge-
lamenlo, que consiste em congelar o produto e remover a agua por sublimai,;ao (passagem dire-
la do estado s6lido para vapor). 0 processo e realizado no vacuo com aquccimento que fomece 
o calor de subHma9ao. Alguns fabricantes de cafe soluvel ulilizam esse procedimen10. 
1-8 Industrias Qufmicas e de l'rocessos 
. ·Sao consideradas industrias quirnicas e de processos aquelas que produzem produtos 
qulmicos, papel e celulose, as refinarias de petr6l<Jo, as pctroquimicas etc. As aplica9oes de 
refrigera9ao nessas industrias silo altamente espcciali:i:adas e de custo elevado, contando-se enlre 
JJ 
elas: (l) a separa9ilo de gases, (2) a condensa9ao de gases, (3) a solidifica9ao de uma especie para 
sepai:ii-la de uma mistura, (4) a ma11uten99:0 de uma temperatura baixa em·um Hquido armaze-
nado para evitar que sua evapora¥:'.IO eleve excessivamente a pressao, e (5) a remo9ao do calor 
de rea9iio. . 
Uma inistura de hicrocarbonetos gasosos pode ser separada pelo resfriamento, de modo 
que a especie com maior temperatura de ebuligaose condense podendo ser separada das outras 
especies. Em algumas petroquimicas (Fig. 1-8) hidrocarbonetos, como o propano, silo utiliza· 
dos como refrigerantes, uma vez que eles sao de baixo custo e a instala<,;ao e adequada ao pro· 
cessamenlo de subslancias altamente inflamaveis. Em outros casos, unidades de refrigera9!1'0 
extemas, como a unidade compacla mostrada na Fig. l-9, s!o utilizadas para a refrigera9ao do 
processo. 
Outras aplica9oes da refrigera~ao e do ar condicionado envoivem tamanhos e capacidades 
que varia.m desde pequenas unidades aie grandes unidades de escala industrial. 
Bebedouros 
Pequenas unidades de refrigera~ao sa'o ulilizadas para resfriar a agua destinada ao consu-
mo. 
De~1unidificadores 
Alguns desumidificadores de ar em residllncias e edificios consistem de uma unidade de 
refdgera9ao na qual o ar na:o s6 tem a sua umidade reduzida como tambem e resfriado. A seguir 
oar e passado pelo condensador da unidade de refrigera9a:o e insuflado no recinlo. 
Produtores Je Gelo 
0 ge!o pode ser produzido em refrigeradores domesticos, em produtores de gelo de restau· 
rantcs c ho!eis e em grandes unidades induslriais em industrlas de alimentos e em induslrias 
qufmicas. 
Pisras de PatinafiiO 
As pistas de palina9ao sao montadas pelo congelamento 4a agua atravtis da refrigera9llo 
feita por meio de tubos pelos quais circula um refrigerante ou uma salmoura, e lnstalados em 
meio a areia ou senagem sobre a qua! se derrama a agua. 
Escavas;Oes sao em alguns casos facilitadas pelo congelamento do solo. Uma apllcagao 
tante de refrigera9ao na industria da constrn9ao e o resfrjamento de grandes massas de con· 
creto 15 (a rea9ao que ocorre durante a cura do concreto e exotermica e, portanto, o calor deve 
ser removido para evitar a expansao e o aparecimento de tensoes no concreto). 0 concreto 
14 Refrigerar;iio e Ar Cundicionado 
REFER.SNCJIAS 
2. 
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W. E. Johnson: Survey of Desalination by freezing-Its Status and Potential, Natl Water Supply 
lmprov. A$soc. J., vol. 4, no. 2, pg. 1·14, juiho 1977. 
• Ate 1981 lodo o material da ASllRAE era publicado em New York; o endere90 atual e fornecido para os 
eventuais leitores lllteressados. 
CAP(TULO 
FUNOAMENTOS DE TERMOOINAMICA E TRANSfERENCIA OE CAlOR 
2-1 Conceiios Basicos de Refrigeratilo e Ar Condicionado 
Um curso de Rcfdgera9ao e Ar Condicionado envolve conceHos e aplica90es de Termodi-
namica e Trnnsforencia de Calor. Assim, .! inter.:ssanle iniciar esle texlo fazendo uma revisilo 
daquelas disciplinas, apresentando alguns dos conceilos basicos importantes no projelo e Ila 
ana!ise de sistemas termicos em edificios e industrias. A apresenta9lio <lesses conceitos viSl! a 
um objelivo especifico, sem a pretensa'o de um maior aprofundamento na maleria. Leilores 
interessados poderao consultar texlos basicos sob re o assunto i-4 • 
Este capitulo abordara o terna de uma forma que seni repetida nos capitulos posleriores. 
0 procedimento consisle ua identifica9ao dos elemenlos essenciais de um projelo ou processo, 
na uliliza9a'o de simplificac;ao e hip61cses com o objelivo de mode!ar o sislema a ser analisado 
ou projetado, e ua aplica9ao das leis fisicas apropriadas para a obten9ao do resu!lado descjado. 
2-2 Conceilos, Modelos e leis 
Termodinamica e trnnsferencia de calor desenvolveram-se a partir de uma serie de concei-
los, baseados em observa9oes do mundo fisico, e leis necessarias na solu<;lio de problemas e pro· 
jelo de sistemas. A engenharia desenvolveu-se a partir de dois conceilos basicos: massa e energia. 
Embora esses conceitos fa9am parte do nosso dia a dia e sejam essenciais na descri9ao do mundo 
foil:o em que vivcmos, e dificil aprescntar uma defini9llo concisa deles. 
0 mundo fisico e muilo complexo e, como tal, e muito dificil descreve-lo precisamente. 
Mesmo que !al dllscri9ao fosse possfvel, ela seria de pouca utilidade para aplical(Cies de engenha-
ria, dada sua complexidadc. Uma das conquistas mais importantes na engenharia foi o desen· 
volvimento de mode!os dos fenomenos fisicos, que, embora com aproxima9oes, fornecem 
descri<;oes suficientemente precisas e meios viaveis de obter solui;:oes. 0 mode!o de Newton para 
a rela~lio en!re for1ra e aceleraqlio e um exemplo interessante. Embora nlio possa ser universal· 
mente utilizado, ele e extrernamente preciso e util na sua faixa de aplicaqao. 1 
1.5 
12 Refrigera9ao e Ar Condicionado 
Figura l·S Uma unidade de refrigera~ao em uma pelroqulmlca. No interior do edificio estll'o instalados 
compressores com uma potencia Iota! de 6500 kW. Os equipamentos de refrigera~ao podem ser vistos a direi· 
ta do ediflcio. (U.S. Industrial Chemicals Company, Divi:;lon of National Distillers and Chemical Corp.) 
Figura I ·'.I Uma uoidade compact a de refrigera~il:o de duplo estagio para condensa9!0 de co2 a -23°C. 
tReffigera1io11 l:.'11gi11eeri11g Corporation) 
Aplica9oes da Refrigera9tio e do Ar Condlcionado 
ser obtido pelo resfriamento da areia, do cascalho, da agua e do cimento antes de serem mistu· 
rados, como mostrado na Fig. 1-10, e pela introdui£1l'O de tubos de agua fria no seu interior. 
RemofiiO do Sal da Agua do Mar 
Um dos metodos para a remo9ao do sai da agua do mar 16 consiste no congelamento da 
agua, produzimio gelo prniicamente sem sal, que e posleriormente fondido, resullamlo agua 
potavel. 
,,;:.> i 
:ii_, i:L 
Figura l·IO l'ni-resfriamento dos componentes do concrete para uma barragem. (Sulzer Brorhers, Inc.) 
HO Condusao 
A industria de refrigern9ao e do ar condicionado lem se caracterizado por um crescimcn· 
10 continua': B tambem uma industria estavel, onde o mercado de subs1itui9a:o juutamente 
com novas aplica9oes contribuem para a manuten9iio do progresso. 
0 alto custo da energia a partir de l 970 foi um fator que tem desencadeado uma serie de 
desafios ao engenheiro. Allernativas inovadoras para aumento da eficiencia, impraticaveis alg11n, 
anos atras, tern sido seriamente consideradas, sendo freqiien!emente jusl!ficadaspelo · 
econOntlco. Um excmplo e a "recupera<;iio de calor" a baixa temperatura peia eleva¥il'q 
nlvel de temperatura dessa encrgia atraves de uma bomba de calor (que nada mais e do que 
sistema de refrigera9a:o ). Assim, o tempo em que se projetava um sistema pelo crilerio do mi 
mo custo inicial parece ler sido superado, uma vez que o custo operacional passou a sef 
mento impo1·tanle de proje!o. · 
• NT. Tam Lem no ilrasil, co mo o ates la o uumero de emprcsas fi!iaJas a AllRA VA e ao 
16 RefrlgerafiO e Ar Condiclonado 
Os modelos nlio lerlio utilidade a!guma se niio forem expressos em termos matematicos. 
As expressOes matematicas propiciam as equa9oes basicas, ou leis, que pennitem explicar ou 
prever o comportamenlo de um fenomeno natural. As primeira e segunda leis da termodinil· 
mica e a lei de Fourier sao exemplos pertinentes. Neste capitulo disculir-se-'1 a u!iliza11iio desses 
concei!os, modelos e leis na descri9lio, projelo e analise de sislemas termicos em ediffoios e 
Industrias. 
l-3 Propriedades Tem111din4mkas 
Um aspecto importante na analise de um sistema termico e a iden!ifica9ao das proprieda-
des lermodinilmicas adequadas. Uma propriedade e uma caracter!stica ou atributo da maleria 
que pode ser avaliada quantitativamente, tais coma temperalµr~. pr~ssilo e densidade. Trabalho 
e calor podem ser detenninados em termos de varia9oes de propriedades, nao sendo, enlretanlo, 
propriedades. Uma propriedade e algo inerente a maleria. Trabalho e calor, por oulro iado, s~o 
inten190es entre sistemas que alteram suas propriedades, podendo ser medidos somenle na fron-
leira do sistema. A quaniidade de energia lransferida depende de como uma dada mudam;a 
''corre. 
Uma vez que a tem10dinamica se desenvolve em tomo da energia, todas as propriedades 
lermodinamicas a ele se relacionam. A condiylio ou eslado de um sislema e definido pelo valor 
de suas propriedades. Na analise que se segue serao considerados esiados de equilibria, os quais 
exigem para sua defini~iio o conhecimento de duas propriedades inlensivas no caso de subsllln-
cius simples. No caso de misturas como, por exemplo, o ar seco e o vapor de agua, Ires sao as 
propriedades necessarias para definir o estado do sistema. Definido o eslado, toclas as outrns 
propriedades (alem das duas ou Ires que o definem) poder:Io ser de!erminadas, uma vez que elas 
nao sao independentes. 
As propriedades mais impoctanles neste lex.to sao: temperatura, pressiio, densidade e 
volume especifico, calor especifico, enlalpia, entropia, e propriedade caraclerlstica do equiH-
brio Uquido-vapor. 
Temperawra 
A temperalura r de uma substancia indica o seu estado lermico e a sua habilidade de 
trocar energia com outra substancia que esteja em comuuicayao term.ica. Nesse sentido, uma 
subslancia a uma temperalura mais alta pode ceder calor a outra a uma temperatura mais baixa. 
Os pontos de referencia da escaia Celsius sil"o o ponlo de fusao do gdo (0°C) e o ponto de ebu-
ll91!0 da agua (l oo0 c). 
A temperatura absoluta, T, e o numero de graus acima do zero absoluto, expressos em 
kelvins (K). Conseqiienlemenle T = i°C t 273. Uma vez que OS intervalos de temperalura em 
ambas as escalas Sllo iguais, diferenyas de temperatura podem ser apresentadas indistinlamente 
em ambas as escalas. 
Pressiio 
Pressao, p, e a forya normal por unidade de area da superficie sabre a qua! a for11a alua. 
Denomina-se pressiio manomerrica ao valor da press:ro em rela9ao a pressao almosferica. Caso 
contrario lem-se a pressiio abse>luta, medida a pariir do vacuo absoluto. 
Fu11Jamentos de 1'ermodlnamlca e Tra11sfertncla de Calor 
A unidade de pressao e newtons por metro quadrado (N/m2 ). tambef'1 denomlnada 
pascal, Pa. Newton e uma unidade de forl(a. 
A pressiio atmosferica padrao e igual a !Ol.325 Pa= 101,3 kPa. 
As pressOes silo medidas por instrnmentos denominado~ manometros, exemplos esquema· 
ticos dos quais silo mos!rados na Fig. 2-1. No caso do manometro de coluna de agua uma das 
exlremldades e aberla a at.r.iosfera e, portanto, 0 desnivel da coluna indica a pressiio manomeld· 
ca, que ea indicada pelo oulm manomelro da Fig. 2-l. 
__ o_u_1_0 ___ 57_/.... "'''='" 
Manometro I 
de coiuna j 
[)Jk•M• 
Air 
flgu.ra :u Medida da pressl!o em um duto de ar com dois !ipos de manomet:ro. 
Densidade e Volume Especffico 
A den£idade de um fluido, p, e a massa que ocupa uma unidade de volume; o volume 
especifico, v, e o volume ocupado pela unidade de massa. A densidade e o inverso do volume 
especifico. A densidad.: do ar a press(fo atmosforica padrao e a tempera tum de 25°C e de I ,2 
j(g/m3. 
Qua! e a massa de ar conlida em um recinto de dimensOes 4x6x3 m se o volume 
especifico do are de 0,83 m3 /kg'I . 
,., l 
Solucffo 
" 0 volume do recinto e de 72 m3 , de modo que ~ 1nassa dear contida deve ser 
72 m 3 
~--=867kg 
0,83 m /kg ' 
Ca/or Especffico 
. ) 
0 calor especifico de uma substancia e a energia necessaria j)ara elevar que I k a tempera-
tura de uma massa unitaria dessa substancia. Uma vez que o valor numerico dessa propriedade 
depende da maneira como o processo e realizado, deve·se descrever o modo pelo qua! o calor e 
fomecido ou removido. As descriyOes mais comuns sao calor especifico a volume const'anle, cv, 
·e a pressiio constante, Cp. Este ultimo e mais importanle' nos processos de aquecimento e res· 
friamento em ar condicionado e refrigerai;:ao. 
18 Refrigerafiio e Ar Co11dic/011ado 
Os calores especlficos aprox.imados de algumas substiincias sao dados a seguir. 
, (l,OkJ/kg·K 
cp = 4,19 kJ/kg·K 
l,88 kJ/kg·K , 
ar seco , 
agua liquida 
vapor de agua 
:'rde .I representa ~ unidade de energia denominada Joule. 
Exemplo 2-2 
Qual e a laxa de transferencia de calor em um aquecedor de agua se 0,4 kg/s de agua 
entram a 82°C e deixam o aquecedor a 93°C? 
' ' I 
Solur;ifo 
; \ 
i 
Como a pressllo da agua perrnanece essencialmente constante, Cp pode ser utiliza-
do. A quanaidade de energia adicionada por quilograma de agua e dada por 
(4,19 kJ/kg·K)(93 - 82°C) = 46,l kl/kg 
As unidades em ambos os !ados da equa9llo devem ser coerentes. Graus 0 c e K cancelam· 
se uma vez que o calor especffico' e utilizado com diferen9as de ternpernturn, as quais produzern 
resultados identicos uiilizando·se 0 c OU K. Considerando que 0,4 kg/s escoam pelo aquecedor, 
a taxa de transferencia de calor sera 
{0,4kg/s)(46,l !d/kg)= 18,44kJ/s= !8,44kW 
Emalpia 
Se ao processo a pressllo conslanle apresentado acima for irnposta uma condi9llo Qe que 
nenhurn trabalho seja realizado sabre a substancia, coma, por exemplo, o trabalho de um 
compressor, o calor adicionado ou removido por unidade de massa e igual !li variaylio de en!al· 
pia. O valor da entalpia de diversas subst<Incias pode ser encontrado em abacos ou tabelas. Esses 
valores de entalpia siro baseados em um estado de referencia arbitrariamentll escolhido. Assim, 
por exemplo, 0 estado de referencia da agua e do vapor e 0 da agua liquida saturada a o0 c, para 
o qua! a entalpia e admitida nula. A entalpia da agua Hquida a !00°C e igual a 419,06 k.l'/kg e 
a do vapor a mesma tempera!ura e igual a 2676 kJ/kg. Ambos os valores foram oblidos a pariir 
do estado de refertncla referido acima. 
Uma vez que a varias;ao de entalpia e igual ~o calor adicionado ou removldo em um pro-
C!l5SO ll pressa"o constante, a variaya"o de entalpla no Exemplo 2·2· deve ser de 46,l Id/kg. A 
m~:tlp!a. j)Dde expressar a taxa de transforencla de calor emproc~ssos onde ocone muda1.'9~ d11 
(evaporas;ao ou conde11sa9ao), corno por exemplo, em calde1ras ou em uma serpentma de 
aquecimento de ar onde vapor de agua se condensa. 
, "· Exemplo 2-3. 
' , Agua, com a vazllo de kg/s, entra em uma caldeira a 90°C, sendo sua entalpia de 
.1" 376,9 kj/kg. A agua deixa a caldeira como vapor a !00°C. Qual II a taxa de calor transfe· 
rido na calde!ra? 
FimJamemos de 1'ei !'~:JJinamica e 1'ransferencia de Ca/or 1 !} 
Solupio: 
A variayil"O de entalpia neste processo ll pressao Constante e 
Ah= 2676 - 377 kJ/kg= 2299 Id/kg 
A laxa de lransferencia de calor para converter a agua em vapor ser~ 
(0,06 kg/s) (2299 kJ/kg) = 137,9 kW 
Entropia 
Embora a enlropia, s, tenha importantes implica9oes tecnica~ e filos6ficas, neste lexlo 
sera utilizada de um n1odo especlfico e limitado, sendo referida conio um meio de faniiliadzar 
o leitor com o seu conceito. Duas implica¥oes dessa propriedade ~ao: , , 
' I ' 
l. A compressao ou expansao sem atrito de um gas ou vapor sem inlercambio,de calor e um 
processo em que a entrnpia se man tern constante. 
2. No processo descrito jlcima, a varia9ao de en lalpia re pre sen ta o trabalho pof unidade de 
massa necessario para ll compressao ou obtido da expaitsao. ' t 
. I 
A utiliza9ao mais importante da entropia neste texto sera na obtens;lio grafica do trabalho 
isoentr6pico de compressllo em ciclos de refrigera9ao de compres~ao a vapor. 
Propriedcules Caracu:r(sticas do EquiUbrio Liquido- Vapor 
,>I 
A maioria dos sis1~.nas de aquecimento ou refrigerai;iio operam com substanclas que 
rnudam de fase Hquido para a fase vapor e vice-versa durante um ciclo completo. As substiincias 
mais comuns sao a agua e os refrigerantes. As press5es, temperaturas e enlalpias sllo as proprie· 
dades mais jmportantt:s, de modo que a rela9ao entre .;!as e apreseptada em tabela~ ou ~bacos, 
um exemplo do~ quais pode Ser yislo na Fig. 2·2, onde q diagrama pfeSsllo-enlalpia de agua e 
rnostrado. '. 
As regioes principais desse diagrama sao: (1) a regiao de Hquido sub·resfriado, <\ esquerda, 
(2) a regill'o de mudans;a de fase, no centro e (3) a regiifo de vapor superaquecido, ll direila. Na 
regiao I existe somente llquido, ao contrario da regiao ~. onde ~mente vapor e possfvel. Na 
n:giao 2 Hquido e vapor coexistem. A linha de separa9ao das regioes 2 e 3 dcnomina-se linha de 
vapor saturai.lo. Movendo-se para a direila ~obre u1na l!nha isobar!ca il pa!Ur da linha de Hqui· 
do saturado, a mistura Hquido-vapor varia de 100% Hquido a 100% vapor. 
Na Fig. 2-2 mostram-se tres isotermicas: a de so0 c, a de 100°c ea de isooc_ A. medida 
que se elev;;; a pressao, a temperatura de ebuli9llo aumenla, o que e razoavelmente inruitivo. 
Assim, para a agua, a ternperatura de ebull9llo a pressao de 12,3 kPa e de S0°C, ao passo que a 
pressao atmosferica normal, 101 kPa, a agua entra em ebuli9ao a temperatura de I00°C. 
Na mesma figura mostram-se duas llnhas de entropla constante na regili'o de vapor sµpef• 
aquecido. 
Refrlgerar;ao e Ar Condicionado 
500 
400 
300 
200 
100 
80 
60 
50 
40 
30 
20 
JO 
J 
I 
Regiao '/ 
de lfquido I 
sub· 
resfriado 
I 
,__ 
~I f-->--
~ 
0 :s 
;:i 
>--
,~ 
-8· 
Lt ,_ ,__ 
§.... >- f- >- ...... ..... ·- ·-
1~1so0c 
Regiao de mudan~a d~ fase 
1 l 1od0 c 
·- - ----,__ -
,_ 
1 = so'c 
!--,__ .__ .__T ·1-- --
·->-- ·- ·-
0 
~ 
,___ 
!.'!-
ci I 
"' I '< 
~ j--· 
-8 I ;: 
~ -i-.:? 
j I~ 
J// 
-- -- ·-- I -- - ·- r--- lg &-11_ 
'Vi:_ 
' 
'fRegiao 
de vapor ,__ ,_ 
--- - -· sul'er· aquecldc 
-- ,__ -++t---
-t----i --~. I i I I 8
0 0,2 0,4, 0,6 0.8 '1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,b 2,8 3,0 
\ Entalpla, MJ/~g 
o diagram~ pressiio-entalpia da agua. I Figura l·l 
Exempfo 2-4 
Qua! e a icansferenc!a de calor para agua de uma caldeira, se a vazfo t de 9 kg/s e a 
agua entra 110 estado llquido a 50°C e deixa a caldeira como vapor supernquecido a 
1500C? 0 processo ocorre a pressao atmosferica normal. 
Soh.49iio: 
0 processo na caldeira consiste de tres elapas distinlas: 0) aqueclmenlo da agua 
sub-resfriada ale o estado de llquido sarnrado, (2) lransforma1r4'0 do liquido saturndo a 
!OOOC em vapor saturndo a lOOOC e (3) superaqueclmento do vapor saturado ate a !em· 
peratura de l50°C. A taxa de tnmsferencia de calor t dada pelo produ10 da vazilo pela' 
varla1rao de entalpia. ""' entalpia da agua que entra na caldeira a 50°C e 101 kPa e igual a 
, , 209 Id/kg, a que pode ser oblida aproximadameil¢e da Fig. 2-2 ou, de uma fomia mais 
precisa, na Tabela A-l do Apendice. A entalpia do vapor superaquecido a pressao de WI 
kPa e temperatura de i50°C e de 2745 kJ/kg. Assim, a tax.a de transferenda de calor ser~ 
igual a: · , 
q = (9 kg/s) (2745 - 209 kJ/kg) = 22,824 kW 
Fumlamenros de Termodinamica e Tramfer~n~ia de Qilor' 21 
A /.,ei dos Gases Perfeitos 
,1.. ,,.JJ,;l. '• •ll 
Como foi observado anterionnente, as propriedades das substancias nao silo independen· 
tes, uma vez que dependem do estado da substancia. Um modelo do comportamentq dos gases, 
denominado gas perfoito, tem a pressao, a temperatura e o volume especffico relacionados pela 
equa1r~ro. ' " 
onde p 
jl 
R 
T= 
pressao absoluta, Pa. 
volume yspecifico, m3 /kg 
pv=RT 
constante do gas= 287 J/kg· K para oar e 462 J/kg • K para a a1,'lla. 
temperntura absoluta, K. 
Nas apllca1roes deste iex10, oar seco e o vapor flhamente superaquecido poderao ser admi-
lidos como gases perfeitos, o mesmo nao ocorrendo com vapore~ da agua e dos refrigi;rantes em 
eslado pr6ximo da saturn\(aO. 
JExemplo 2-5 
Qua! ea densidade do ar seco a pressao de 101 kPa e ii temperatura de 25°C? 
Solu9iio. 
A densldade e o iuvcrso do volume especffico. logo, 
I 
p= 
v 
p 101.000 Pa 
= -= ----
RT (287 J/kg·K) (25 + 273 K) 
p = 1,18 kg/m 3 
2-4 l?rocessos Termodinamicos 
Alguns processos tennodinamicos, jais como aquecimento e fesfdamento, foram disc14· 
lidos quando da aprese11ta9ao das propriedades termodinamicas. Antes de expandir a discussao 
para outras aplka1roes, algumas defini\(oes, modelos e leis serao revistos. 
Como a energia e o concelto fundamental da termodinamica, inodelos baslcos e !els fora1n 
desenvolvidos para facllitar as analises envolvendo energia, em outras palavras, para descrever a 
energia de um sistema e a transferencia de energia. Analise envolvendo energia e basica111ente 
um balan~o. · · ' ·'' 
Neste livro 0 termo Sistema sera utilizado para descrever 0 objeto OU objetos que est[o 
sob analise ou discussao. Um sistema pode envolvec simplesmente um dado volume de um flui· 
do homogeneo, coma pode tratar-se da rede de distribuiyao de agu~ quente de um !)diffcio. Na 
111tfioria dos casos os sistemas sfo definidos.e.!.ltteri11(ls de u11u regiao definidado espa90'. ~onfi· 1 
nada por uma supcrffcie fcchacfo, denominada fronFeira Cio siste/na. sob ceitas condi1;:5es o 
22 Refrigerafiio e Ar Comliclonado 
"sistema" e denominado volume de co11trole e sua fronteira de superficie de controie•: A forma 
e o lamanho do sistema sao arbitrarios, sendo esco!hidos de modo a facilitarem os balarn;os ou 
transferencias de energia. Tudo que nao estiver. contido no sistema e denominado meio. , 
Copsidere'.se o sistema da fig: 2'.3, onde n:iassa e transferid~ do meiono p~nt~ l .t; qp si~-' 
tema para o melo no ponto 2. Tai sislema poderia representar tan to um equipamenlo simptes 
c:omo uma bomba ou como um ediffoio inteiro, A dtfini<;:ao clara do sislema proporciona a· base 
par- a utiliza9lio dos modelos que descrevem o comportamento dos objetos reais estudados na 
tnrr.odinamka. 
0 pr6ximo passo sera a formu!a9ao das leis basicas: a da conserva9ao da massa e a da con· 
serva9lio da energia, que serao exaustivamente utilizadas nos capftulos subseqilentes. 
Massa e um conceito fundamental, nao apresentando uma defini1t!io simples. Freqilenle-
menle e definlda em termos da Lei de Newton: '' 
onde m = massa, kg 
a = acelera\(!o, m/s2 
V = veloc!dade, m/s 
() = lempo, s 
clV 
F on;a "' ma = m --·--
tiO 
' I 
11!gura 2·3 Conserv!l\(io' d~ massa em um s!stema simples com fluxo de massa. 1 
,',i •• ,. 
i; 
., 
. Um objeto sujelto a u.ma for1ta aceler11 _a ~ma taxa que dep~nd~ lill l11t~psidi14Y da for9a. 
\\Jesse sentido a massa seria a carjlcteristica do objeto responsavel pela ~~~i$1eocia ~ mudara9a d<i 
ve.locidade. Assim, dois objelos que apresentam a mesma aceleras;ll'o sob i' a¥1£o de duiis for9as 
ld~rticas possuem a mesma massa. 0 conceito de massa implica que a massa conjunt~ de dpjs 
.... i 
.; 
>1!.V1 · Na realidade; o volume de cont1o!e m'!o · e