Redução do consumo energético de um equipamento de frio
Informações do documento Documento nº: 01
Titulo: Resumo da teoria de refrigeração
Descrição: Conhecimento básico necessário para compreender e implementar um sistema de refrigeração.
Versão Data Autor Descrição da alteração
1.0 14/03/08 Nuno Mesquita Versão draft 1.1 15/07/09 Nuno Mesquita Revisão
1. Princípios térmicos 2 1.1. Propriedades termodinâmicas 2
1.2. Conceitos básicos da termodinâmica 2 1.2.1. Equilíbrio térmico, lei zero da termodinâmica, equilíbrio termodinâmico 2 1.2.2. Gás ideal, trabalho, 1ª Lei da termodinâmica e entalpia 3 1.2.3. Entropia e a 2ª Lei da termodinâmica. 5 1.2.4. Máquina térmica, máquina frigorífica e ciclo de Carnot. 6
2. Propriedades de refrigerantes, ciclo de refrigeração e sistema de refrigeração 8 2.1. Diagrama de Mollier 8 2.2. Ciclo de refrigeração 10 2.3. Modelo energético simplificado de um sistema de refrigeração 13
1. Princípios térmicos
1.1. Propriedades termodinâmicas
A ciência termodinâmica estabelece os conceitos que explicam os fenómenos físicos de transferência de energia térmica, identifica os elementos físicos, as propriedades e as respectivas leis que descrevem os fenómenos térmicos.
As principais grandezas e características a saber são: A temperatura (T) , é uma grandeza que indica o estado térmico da substância, que por sua vez caracteriza a capacidade que a substância tem para trocar energia com outra em que esteja em contacto.
A pressão (P ), é uma força normal (perpendicular a uma superfície) exercida por um fluido por unidade de área, existe também a pressão absoluta quando a pressão da substância é medida juntamente com a pressão atmosférica.
A densidade (ρ), específica a massa que ocupa uma unidade de volume, volume específico v , é o que caracteriza o volume de uma unidade de massa da substância. A densidade e volume específico são recíprocos um relativamente ao outro.
O calor específico (c) , é a quantidade de energia requerida para elevar a temperatura 1ºC em cada grama de substância. Como a amplitude desta quantidade é influenciada pelo processo realizado, o método como o calor é adicionado ou retirado é também caracterizado pelo calor específico a volume constante
(cv ) e calor específico a pressão constante (cp ) . A entalpia descreve a energia interna total de uma substância, que em determinados processos a sua variação será igual ao calor transferido nesse processo.
A entropia apesar de ser uma propriedade das mais fundamentais e amplamente utilizada na termodinâmica, em sistemas de refrigeração não tem grande relevo, mas está fundamentalmente associada a uma grandeza de desordem interna da substância.
Na grande maioria dos sistemas de aquecimento e refrigeração utilizam os estados de fase das substâncias no seu estado líquido ou gasoso para caracterizar o funcionamento dos sistemas
1.2. Conceitos básicos da termodinâmica
1.2.1. Equilíbrio térmico, lei zero da termodinâmica, equilíbrio termodinâmico
Empiricamente sabemos que dois corpos com a mesma massa, mas com temperaturas diferentes, T1 e
T2, quando entram em contacto, a temperatura dos corpos alteram-se, diminuindo no corpo mais quente e aumentando no corpo mais frio. O equilíbrio térmico é atingido quando a temperatura final dos corpos é uma temperatura intermédia entre duas temperaturas iniciais. Em termos matemáticos, estes resultados podem ser formular-se através da equação Error! Reference source not found.
em que os índices c1 e c2 reapresentam os dois corpos distintos.
A lei zero da termodinâmica postula que dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si. Pode haver equilíbrio térmico sem haver equilíbrio termodinâmico, para haver equilíbrio termodinâmico tem que existir as seguintes condições:
• Equilíbrio mecânico ( forças e movimento = 0)
• Não haver troca de materiais
Quando são misturadas diferentes massas, a temperatura varia inversamente com as massas, ou seja, a menor massa varia mais de temperatura, de modo que os produtos Tm∆ permanecem com a mesma quantidade.
A energia térmica absorvida pelo corpo depende das características dos materiais que o compõe. Pode definir-se a energia em forma de calor necessária para variar a temperatura de um corpo através da equação ( 1.3 ) em que c é uma constante de proporcionalidade definida de calor especifico.
Podemos então considerar que um corpo tem uma capacidade calorífica ( )C em que cmC=
Como o calor específico varia com a temperatura para calcular Q é preciso ter em conta se Tf -Ti é muito grande e se produz uma variação de calor especifico significativo, então calcula-se dTTcmQ)(
Aproximando, sem perda considerável de generalidade, obtemos ()ifTTcmQ−= onde c é o calor especifico médio entre as temperaturas Ti e Tf. Mas a expressão ( 1.3 ), só é válida enquanto a substância não muda de fase, porque nessa situação
O calor necessário para esta transição de fase depende da quantidade de massa envolvida, e o parâmetro que define essa escala é chamado de calor latente.
Em refrigeração, L é denominado de calor de fusão, Lf, ou de calor de evaporação, Lv.
1.2.2. Gás ideal, trabalho, 1ª Lei da termodinâmica e entalpia
Habitualmente, utilizam-se o conceito de gás ideal para representar diversos conceitos da termodinâmica. Um gás ideal é um gás hipotético em que as condições de separação entre moléculas são muito maior do que as dimensões das mesmas, inexistência de interacção entre as moléculas (excepto durante colisões), bem como a ausência de choques elásticos entre moléculas e entre estas e as paredes do recipiente. Admite-se que as moléculas movem-se aleatoriamente, com a mesma probabilidade em qualquer direcção. As suas características macroscópicas, tal como, o volume, a pressão e a temperatura obedecem à equação de estado dos gases ideais
Página 4 de 17 em que n representa o número de moles da substância e R é a constante universal dos gases.
Sabe-se que um gás real tem um comportamento próximo de um gás ideal quanto menor for a pressão a que está sujeito e quanto mais afastado se encontrar da sua temperatura do seu ponto de liquefacção.