Bomba de Calor 2016 - Termodinâmica

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Universidade Federal de Viçosa
Departamento de Engenharia Agrícola
Roteiro aula prática ENG 272 Termodinâmica
Prof. Roberto Precci Lopes
Prática: Bomba de Calor (08/11/2016)
INTRODUÇÃO
Bombas de calor são equipamentos utilizados para transferir calor de um corpo a baixa
temperatura para outro a alta temperatura, mediante o recebimento de uma quantidade de trabalho.
São exemplo de equipamentos deste tipo os refrigeradores e os aparelhos de ar condicionado.
Nos refrigeradores o calor é retirado no evaporador e transferido para o meio pelo
condensador. Nos aparelhos de ar condicionado o ar do ambiente que se deseja refrigerar, ao passar
pelo evaporador tem sua temperatura reduzida, e o calor retirado do ar pelo fluido de trabalho é
transferido para o ambiente exterior pelo condensador localizado na parte de trás do aparelho. É
possível também, em vez de resfriar o ar ambiente aquecê-lo no inverno.
Estes aparelhos para funcionarem utilizam um fluido de trabalho, ou seja, um gás cuja
temperatura de evaporação é inferior a zero graus Celsius. Cita-se como exemplo o R134a
(tetrafluoretano – C2H2F4), cuja temperatura de evaporação a pressão de 1 atm é -26,4C.
Para que uma bomba de calor opere é necessária a presença de quatro elementos
fundamentais: compressor, evaporador, válvula de expansão ou tubo capilar, e evaporador. O
processo baseia num ciclo termodinâmico que utiliza um fluido de trabalho que dependendo da
pressão e temperatura em que se encontra, pode assumir diferentes estados como vapor
superaquecido, líquido comprimido, mistura liquido-vapor e vapor saturado.
Um refrigerador ou uma bomba de calor pode ser utilizado com um dos seguintes objetivos:
a) retirar calor (QL) do espaço a ser refrigerado, mediante um gasto de energia (trabalho fornecido)
– refrigerador; b) transferir o calor retirado (QL) de uma fonte como ar, água, solo, mediante um
gasto de energia (trabalho fornecido), para um corpo a alta temperatura, ou seja, para o espaço a ser
aquecido – bomba de calor propriamente dito.
Nesta prática você verá o funcionamento de uma bomba de calor água/água segundo um
ciclo termodinâmico. Você irá observar também o estado físico em que se encontra o gás em
diferentes pontos do ciclo.
O equipamento que você utilizará está ilustrado na Figura 1.
Figura 1 – Bomba de calor.
Materiais e Métodos
Materiais
 Uma proveta de 1000 ml
 Dois termômetros de vidro com escala de -20 a 100C
Metodologia 
- Conecte o equipamento a rede elétrica. VERIFIQUE PRIMEIRO SE A TENSÃO DA REDE É A 
MESMA DO EQUIPAMENTO (220V);
- Encha cada compartimento de acrílico com 2000 mL de água, até que o nível da água fique acima
da serpentina do condensador e do evaporador;
- Ligue o compressor por 10 minutos para atingir o regime estacionário;
- Desligue o compressor e troque a água dos recipientes;
- Coloque um termômetro de vidro em cada compartimento e anote a temperatura inicial da água, a
hora e o dia do experimento;
- Ligue o medidor de energia elétrica do aparelho e em seguida o compressor;
- Durante o período em que o equipamento estiver funcionando agite o misturador em ambos
recipientes com água para obter uma boa troca de calor da água com a superfície do trocador de
calor;
- Faça quatro leituras dos parâmetros listados no quadro abaixo, em intervalos de cinco minutos.
Tempo (minutos) 5 10 15 20 
Temperatura da água no condensador, °C
Temperatura da água no condensador, °C
Energia consumida, Wh
Potencia absorvida, W
P1 – pressão na entrada da válvula de expansão, kPa
P2 – pressão na saída da válvula de expansão, kPa
TP1 – temperatura fluido na entrada da válvula de expansão, °C
TP2 – temperatura fluido na saída da válvula de expansão, °C
T1 - temperatura medida pelo termômetro na água no evaporador, °C
T2 - temperatura medida pelo termômetro na água no condensador,
°C
Coeficiente de Performance
Com base nos dados observados estime o coeficiente de performance da bomba de calor 
para cada intervalo de tempo utilizando a equação 1:
 Equação 1
Onde:
ε - eficiência no aquecimento da água;
Q – calor transferido para a água no condensador;
c – calor específico da água;
T – aumento de temperatura da água;
t – intervalo de tempo;
P – potência média absorvida.
No seu relatório aborde os seguintes tópicos:
Discute o estado do gás nas janelas de observação do evaporador e do condensador;
Discuta a eficiência encontrada e compare com valores de bomba de calor comerciais. O que 
representa esta eficiência? Como esta eficiência varia com a diferença de temperatura da água no 
reservatório de alta temperatura ao longo do tempo?
Se o aquecimento da mesma quantidade de água nas mesmas temperaturas fosse feito por uma 
resistência elétrica de 2 kW, qual seria mais econômico? 
Enumere os componentes da bomba de calor (Figura 1 – de 1 a 13);
Descreva o funcionamento do equipamento utilizado;
Descreva em particular o funcionamento da válvula de expansão;
Dê uma aplicação de bomba de calor na sua área de formação.
Com base no estudo sobre aplicações da segunda lei em volume de controle, resolva o problema a
seguir e discuta os resultados obtidos:
O fluido refrigerante muda de fase (evapora) no interior dos tubos do evaporador de uma
geladeira a -20°C e condensa, no condensador posicionado na parte traseira da geladeira, a 40°C.
Determine a variação do volume específico e a pressão detectadas no evaporador e no condensador
da geladeira admitindo que o fluido refrigerante é: a) R-134a, b) R-410 e c) amônia. Represente o
ciclo num diagrama T x v.