Refrigeração: Diagrama Pressão-Entalpia e Propriedades dos Fluidos Refrigerantes

REFRIGERAÇÃO CONDICIONAMENTO DE AR E VENTILAÇÃO OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Explicar o diagrama pressãoentalpia ph Distinguir os fluidos refrigerantes aplicados em arescondicionados e sis temas de Avac Calcular o parâmetro do ciclo térmico aplicando o diagrama ph Introdução Os fluidos refrigerantes retiram calor latente do espaço de acordo com a pressão e a temperatura a que são submetidos e por isso é extremamente importante reconhecer as propriedades termodinâmicas de uma substância visando a aplicá la na situação correta Essas propriedades podem ser encontradas nas bibliografias como tabela ou gráfico Na verdade um complementa o outro então é interessante ter a tabela e o gráfico da substância estudada na tabela você pode ser acurado no ponto de pressão e temperatura requisitado pelo processo enquanto no gráfico pode plotar todas as informações líquido mistura e vapor superaquecido em apenas uma figura Também chamados de diagramas de Mollier os gráficos podem ser de tempera tura versus volume específico de pressão versus entalpia específica de temperatura versus entropia específica ou de entalpia específica versus entropia específica No mundo da refrigeração o mais conhecido é o diagrama pressão versus entalpia Diagrama pressão entalpia e fluidos refrigerantes Winston de Oliveira Ruibacki Neste capítulo vamos explicar como fazer a leitura do diagrama ph com destaque para o que cada linha representa e aplicálo a vários tipos de fluidos refrigerantes além de calcular parâmetros do ciclo térmico aplicados em cada fase Conceitos fundamentais Antes de efetivamente discutirmos o principal assunto desta seção precisa mos fazer uma breve revisão dos conceitos de volume específi co entalpia entropia e título Sabemos que a pressão é a relação entre a força por unidade de área De acordo com Creder 2003 se essa força atua sobre um fluido homogêneo e estacionário a pressão é uniforme ao longo de todo o fluido sendo despre zada a gravidade sobre este Por isso considerase que a pressão é absoluta A pressão será dada em Nm² ou em Pa Na Figura 1 temos a indicação das diferentes pressões absoluta medida e atmosférica Figura 1 Diagrama da pressão absoluta Fonte Creder 2003 p 4 A pressão medida é aquela que se altera de acordo com o sistema anali sado a que vai se alterar de acordo com o ambiente Com relação ao volume temse o chamado volume específico que é definido como volume por unidade de massa da seguinte forma onde v é o volume específi co m³kg V é o volume total m³ e m é a massa kg Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 2 De acordo como Çengel e Boles 2013 o amplo uso da palavra entalpia se deve ao professor Richard Mollier que reconheceu o uso do u P v na análise de turbinas a vapor e nas propriedades do vapor nas formas tabular e gráfica Segundo os autores Mollier chamou o grupo u P v de conteúdo de calor e calor total termos substituídos na década de 1930 por entalpia do grego enthalpien que significa aquecer Portanto entalpia h é quando temos um processo de compressão cons tante que depende do ponto ou estado do fluído sendo onde h é a entalpia kcalkg u é a energia interna específi ca kjkg P é a pressão Kpa e v é o volume específi co m³kg Por sua vez o título é a relação entre a massa de vapor pela massa líquida somada à massa de vapor do fluido e fica na zona de mistura onde o trabalho é realizado Pode ser equacionado da seguinte forma Por fim a entropia é a redução da energia útil disponível e não conserva energia É importante salientar que quando se conhece o título na zona de mis tura do fluido devese calcular o volume específico a entalpia e a entropia respectivamente da seguinte forma Após apresentados esses conceitos podese ter um melhor entendimento do comportamento do fluido seja ele tabelado ou em um diagrama Aqui vamos nos ater aos diagramas das propriedades apresentadas porque elas apresentam em uma só figura todas as informações necessárias para o entendimento do processo Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 3 kPa Primeiramente vamos dividir os processos em três fases principais 1 primeira zona ponto em que os fluidos são líquidos 2 segunda zona onde ocorre uma mistura líquido vapor ou seja onde ocorre o trabalho do fluido que retira o calor latente da substância eou do local 3 terceira zona onde temos o fluido na forma de vapor superaquecido Agora plotamos essas informações em um gráfico Figura 2 no qual temos como abcissa a entalpia h e como ordenada a pressão p Figura 2 Diagrama ph com as três zonas identificadas Note na Figura 2 que a linha que percorre as fases possui um formato de semicírculo inclinado para a direta na direção da entalpia O ponto máximo da altura crista é o estado crítico da mistura Na próxima etapa tomase duas fases t1 temperatura do fluído um e t2 temperatura do fluído dois Portanto temse duas linhas de resfriamento para as duas temperaturas conforme a Figura 3 Veja que a pressão é constante na zona de mistura onde o trabalho do fluido é realizado Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 4 Figura 4 Diagrama ph com volume específico Vale lembrar que o volume específico dentro da zona de mistura se apre senta em duas fases a líquida e o vapor cujos valores após somados são multiplicados pelo título relacionado Na Figura 5 temos as entropias constantes que sobem para a direita na região de vapor sobreaquecido Durante o processo de compressão elas demonstram o estado as alterações dos fluidos Figura 5 Diagrama ph com entropia Pela análise da Figura 5 vêse que a entropia é diretamente proporcional à pressão e à entalpia ou seja à medida que a pressão e a entalpia sobem também sobe a entropia Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 6 Agora que você já compreende os estados e as linhas de cada propriedade termodinâmica é o momento de apresentar um diagrama completo Veja na Figura 6 o diagrama do fluido Freon22 ou R22 como também é conhecido Figura 6 Diagrama ph do fluido R22 Fonte Creder 2003 p 51 No gráfico da Figura 6 podese distinguir as linhas de pressão e ental pia líquido comprimido ponto crítico vapor saturado entropia e volume específico Estar apto para analisar o gráfico ph é de extrema importância para compreender o processo pelo qual passa o fluido Em alguns casos po rém como no da Figura 6 uma leitura mais aguçada é um desafio devido à quantidade de informações demonstradas no gráfico Dessa forma as tabelas apoiam uma leitura mais precisa A interpolação também é uma ferramenta de modo que dependendo da temperatura e da pressão do sistema podese chegar ao valor mais correto No entanto entre profissio nais estudantes e softwares de simulação de refrigeração e climatização o gráfico ph é o mais utilizado por ser de fácil leitura entre as fases e trazer toda a informação em única figura Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 7 Veja que determinados fluidos necessitam de pressões maiores para alcançar a temperatura desejada como o Freon14 por exemplo Isso requer projetos mais sofisticados com maiores investimentos Como contraponto temos por exemplo o Freon12 que percorre de ponta a ponta o gráfico que já atende a um maior range de temperatura Os fluidos têm grande impacto no custo do projeto e no coeficiente de performance do sistema Assim antes de decidir qual gás utilizar devese fazer uma pesquisa bem aprofundada na bibliografia e com os profissionais mais experientes da área Cálculo do ciclo térmico aplicando o diagrama pressãoentalpia Um dos ciclos mais utilizados em refrigeração é o ciclo de refrigeração por compressor de vapor na qual o fl uido é vaporizado e condensado alternada mente e é comprimido na fase de vapor de acordo com Çengel e Boles 2013 Porém existem outros ciclos como o de refrigeração a gás refrigeração em cascata por absorção e termoelétrica Utilizando o ciclo ideal de compressão de vapor ou seja desconsiderando as perdas teremos o ciclo e o diagrama da Figura 9 Figura 9 a Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor e b diagrama ph de um ciclo de refrigeração ideal de compressão de vapor Fonte Çengel e Boles 2013 p 614615 Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 11 1 a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a potência fornecida ao compressor 2 a taxa de rejeição de calor do refrigerante para o ambiente 3 o coeficiente de performance do refrigerador Por fim demonstre em um gráfico pressão versus entalpia Para resolver devese pesquisar a tabela do fluido R410A na parte de líquido saturado conforme as Figuras 10 e 11 Figura 10 Propriedades do R410 Em destaque a pressão 100 kpa e a temperatura 15C no vapor superaquecido Fonte DuPont Suva 2014 p 8 Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 13 Referências ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 Ebook CREDER H Instalações de arcondicionado 6 ed Rio de Janeiro LTC 2003 DEPARTAMENTO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE Você sabia conheça sobre a aplicação e destinação de fluídos refrigerantes Brasília Abrava 2018 DUPONT SUVA Thermodynamic Properties of DuPontTM Suva 410A refrigerant R 410A 2014 Disponível em httpswwwcantascomurunpdf2009008h64423Su va410Athermopropsipdf Acesso em 17 maio MILLER R MILLER M R Arcondicionado e refrigeração 2 ed Rio de Janeiro LTC 2017 Leituras recomendadas AMBIENTE GELADO Notícias c2016 Disponível em httpwwwambientegeladocom br Acesso em 17 maio 2021 BRASIL Manual de boas práticas em supermercados para sistemas de refrigeração e arcondicionado Brasília Ministério do Meio Ambiente 2015 Ebook Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links Diagrama pressãoentalpia e fluidos refrigerantes 16