Balanço de Energia em Evaporador e Condensador de Máquina Frigorífica Ar-Ar - Experimento R12

Análise Experimental de Sistemas de Refrigeração Experimento 3 Balanço de energia em um evaporador e em um condensador de uma máquina frigorífica ar ar Objetivo Realizar o balanço de energia no ar e no fluido refrigerante em um evaporador e de um condensador de uma máquina frigorífica do tipo arar carregada com o refrigerante R12 Fundamentos Em sistemas de refrigeração e aquecimento por compressão de vapor o evaporador é responsáve l por garantir um a mudança de estado do refrigerante que sai da fase líquida vapor para a fase vapor superaquecido O fluido à baixa pressão proveniente da saída do dispositivo de expansão é aquecido no interior do evaporador por meio da troca térmica com o fluido secundário do sistema Esta quantidade de calor impacta na eficiência do ciclo de refrigeração uma vez que quanto maior a taxa de calor no evaporador maior o coeficiente de desempenho de refrigeração para uma dada potência requerida pelo compressor A avaliação da taxa de calor pode ser realizada através do balanço de energia sobre o fluido secundário que atravessa o evaporador O mesmo pode ser analisado para o caso do condensador do sistema no qual o refrigerante libera calor para o fluido secundário quando passa da fase vapor superaquecido para líquido subresfriado à alta pressão proveniente da descarga do compressor Esta quantidade de calor impacta na eficiência do ciclo de aquecimento uma vez que quanto maior a taxa de calor no condensador maior o coeficiente de desempenho de aquecimento para uma dada potência requerida pelo compressor Quando o evaporador é um trocador de calor do tipo tubos aletados com escoamento de ar forçado por meio de um eletroventilador a análise das trocas de calor é complexa devido à condensação de vapor de água presente no ar que ocorre n as aletas e tubos d o trocador Diante disso o ar deve ser tratado como mistura arvapor arúmido Assim como o ar o vapor de água pode ser tratado como gás perfeito pois a sua pressão parcial é muito baixa em geral inferior a 5 kPa valor muito menor que a pressão crítica Para o caso do condensador a análise de trocas térmicas é mais simples pois o ar troca energia térmica apenas por calor sensível Metodologia A s F igura s 1 e 2 representa m respectivamente o evaporador e o condensador da máquina de refrigeração junto às variáveis de entrada e saída do sistema necessári as para a realiza ção d o s balanço s de energia Analisando a passagem de ar pelo s trocadores de calor P é a pressão atmosférica considerada constante durante o processo m a é a vazão mássica do ar seco constante durante o processo m v 1 e m v 2 são respectivamente as vazões mássicas de vapor na entrada e na saída T a 1 e T a 2 são respectivamente as temperaturas do ar na entrada e na saída T líq é a temperatura da água vapor condensad o e ω 1 e ω 2 são respectivamente as umidades absolutas do ar na entrada e na saída Por fim analisando a passagem do fluido frigorífico m r é a vazão mássica de refrigerante R12 e h r 1 e h r 2 são respectivamente as entalpias do refrigerante na entrada e na saída do s trocadores de calor Para o caso do condensador a vazão de vapor m v e a umidade absoluta do ar ω permanecem constantes com a passagem do ar por este trocador pois m v 1 é igual a m v 2 e ω 1 é igual a ω 2 R12 m r h r 1 R12 m r h r 1 Arvapor m a m v 2 P T a 2 ω 2 Arvapor m a m v 2 P T a 2 ω 2 R12 m r h r 2 R12 m r h r 2 Arvapor m a m v 1 P T a 1 ω 1 Arvapor m a m v 1 P T a 1 ω 1 Água líquida m líq T líq Água líquida m líq T líq Figura 1 Esquema para o balanço térmico no evaporador R12 m r h r 1 R12 m r h r 1 R12 m r h r 2 R12 m r h r 2 Arvapor m a m v P T a 1 ω Arvapor m a m v P T a 1 ω Arvapor m a m v P T a 2 ω Arvapor m a m v P T a 2 ω Figura 2 Esquema para o balanço térmico no condensador Procedimentos Com o sistema operando em regime estacionário m edir a s temperatura s e pressões do refrigerante na entrada e saída do evaporador as temperaturas e pressões do refrigerante na entrada e saída do condensador e a vazão mássica de refrigerante com o sistema operando com uma válvula de expansão termostática Medir também a temperatura ambiente a umidade relativa do ar ambiente considerar a mesma na entrada do evaporador e do condensador as temperaturas do ar nas saídas do evaporador e do condensador e o volume de condensado formado no evaporador Além disso se faz necessário medir a área de passagem e a velocidade do ar pelos trocadores de calor e o tempo de ensaio As medições realizadas são apresentadas na Tabela 1 Tabela 1 Medições realizadas Variável Valor T 3 temperatura do vapor na entrada do condensador ºC 69 0 T 4 temperatura do líquido na saída do condensador ºC 411 T 7 temperatura do líquido na entrada da válvula de expansão ºC 332 T 9 temperatura da mistura líquidovapor na entrada do evaporador ºC 10 T 10 temperatura do vapor na saída do evaporador ºC 49 T 13 temperatura do ar ambiente ºC 252 P 3 manométrica pressão na entrada do condensador kgfcm² 92 P 4 manométrica pressão na saída do condensador kgfcm² 92 P 7 manométrica pressão na entrada da válvula de expansão bar 8 8 P 9 manométrica pressão na entrada do evaporador kgfcm² 25 P 10 manométrica pressão na saída do evaporador kgfcm² 2 3 P 13 absoluta pressão atmosférica bar 0982 Vazão mássica do refrigerante lbm min 1 3 Umidade relativa do ar ambiente 45 Umidade relativa do ar na saída do evaporador 100 Temperatura do ar na saída do evaporador ºC 82 Temperatura do ar na saída do condensador ºC 324 Área de passagem de ar pelo evaporador cm x cm 31x21 Velocidade do ar pelo evaporador ms 09 Área de passagem de ar pelo condensador cm x cm 33x26 Velocidade do ar pelo condensador ms 3 Volume de condensado formado mL 160 Tempo de ensaio min 33 Ressaltase que o estado termodinâmico do refrigerante na entrada do evaporador é conhecido utilizandose a temperatura ou pressão neste ponto e a entalpia na entrada do dispositivo de expansão uma vez que este estado é bifásico e temperatura e pressão são propriedades dependentes nesta situação A máquina de refrigeração está instrumentada com manômetros de Bourdon termopares tipo K e rotâmetro Figura 3 Figura 3 Manômetros termopares e rotâmetro aplicados A Manômetro de Bourdon de baixa 15 bar B Manômetro de Bourdon de alta 35 bar C Termopar tipo K e D Rotâmetro Para obtenção da umidade relativa do ar temperatura ambiente e velocidade do ar nos trocadores de calor aplicase um termohigroanemômetro Figura 4 Para a medição do condensado gerado no evaporador foi utilizado uma proveta graduada Figura 4 Termohigroanemômetro utilizado no ensaio A Tabela 2 apresenta a incerteza de medição dos instrumentos Tabela 2 Incerteza dos instrumentos Instrumento Incerteza Termopar tipo K 10 ºC Manômetro tipo Bourdon pressão de baixa 01 bar ou kgfcm² 1 do fundo de escala Manômetro tipo Bourdon pressão de alta 035 bar ou kgfcm² 1 do fundo de escala Rotâmetro 005 lbm min Termo higro anemômetro digital 0 3 ms velocidade 1 C temperatura ambiente 3 umidade relativa Proveta 2 m L R elatório Apresente no relatório a citação de pelo menos 10 referências sendo no máximo 3 livros e o restante de artigos dissertações teses documentos indexados relatórios de entidades renomadas como a EPE Empresa de Pesquisa Energética etc artigos online de jornais etc Para cada uma das referências fazer o download do documento e guardar em uma pasta renomeando o arquivo com o mesmo nome da citação no texto exemplo Diniz 2022 Quando for livro apresentar a sua capa e índice para conferência da citação quando for artigo de jornal online apresentar a impressão da matéria em pdf para conferência etc A pasta contendo as referências pelo menos 10 deverá ser zipada e entregue junto ao relatório word e o algoritmo EES EES Cuidado ao usar ferramentas de inteligência artificial para a busca por referências pois a referência pode ser fictícia As referências devem ser citadas principalmente na introdução e quando possível nos resultados fazendo a comparação com os resultados obtidos no experimento Use o arquivo Elementos do texto científico para compreender como citar corretamente as referências no texto O relatório deve conter os seguintes tópicos abaixo dispostos de forma adequada ao longo das seções introdução referencial teórico metodologia resultados conclusões referências bibliográficas Siga as instruções dos arquivos Instruções para escrita acadêmica e requisitos básicos para escrita do relatório Use como modelo de relatório o arquivo Modelo de relatório aplicando todas as seções apresentadas O documento Fontes para trabalhos acadêmicos apresenta fontes para a busca por trabalhos acadêmicos úteis no desenvolvimento do relatório Utilize todo o conteúdo presente neste roteiro de experimento sem remover partes e sim aprofundandoo Apresente no referencial teórico uma revisão sobre os principais tipos de trocadores de calor aplica dos a sistema s de refrigeração e aquecimento por compressão de vapor Aprofunde informações sobre o trocador de calor do tipo tubos aletados com escoamento de ar forçado por meio de um eletroventilador Sempre que for de interesse apresente as unidades no SI Use o EES para determinar as propriedades dos fluidos Apresente as equações da literatura faça sempre que possível as deduções e considerações idealizações até chegar nas equações que serão aplicadas nos cálculos Faça isso para o caso do evaporador e para o condensador Faça uma tabela com os valores de P T h e x título na entrada do evaporador para os pontos medidos n o experimento Inclua a incerteza de P e T Apresentar em tabela a análise completa de incerteza fornecida pelo EES dos principais parâmetros analisados Variável Incerteza 1ª coluna do EES e Incerteza 3ª coluna do EES Não é necessário apresentar os dados relativos à Derivada Parcial 2ª coluna dos resultados do EES Discutir sobre a influência da instrumentação na incerteza Faça o balanço de energia para o R12 e forneça as taxas de evaporação e condensação Sempre apresente os resultados com a incerteza Determine a s temperatura s de orvalho e bulbo úmido e umidade absoluta na condiç ão do ar na entrada do evaporador Determine a s temperatura s de orvalho bulbo úmido e bulbo seco e as umidades absoluta e relativa na condiç ão em que o ar que passa pelo evaporador começa a condensar Determine a s temperatura s de orvalho e bulbo úmido e a umidade absoluta na condiç ão de saída do ar pelo evaporador Qual é a temperatura da água condensada considere o equilíbrio termodinâmico Qual é a temperatura média das aletas dos tubos do evaporador considere o equilíbrio termodinâmico Sempre apresente os resultados com a incerteza Determine a s temperatura s de orvalho e bulbo úmido e a umidade absoluta na condiç ão do ar na entrada do condensador Determine a s temperatura s de orvalho e bulbo úmido e as umidades absoluta e relativa na condiç ão do ar na saída do condensador Qual é a temperatura média das aletas dos tubos do condensador considere o equilíbrio termodinâmico Sempre apresente os resultados com a incerteza Faça o diagrama psicrométrico no EES no caso do evaporador para as condições do ensaio Trace a curva que representa o processo de resfriamento do ar e formação de condensador Faça o diagrama psicrométrico no EES no caso do condensador para as condições do ensaio Trace a curva que representa o processo de aquecimento do ar Determine a vazão mássica de ar seco pelo evaporador vazão mássica de vapor na entrada e saída do evaporador e a vazão mássica de condensado formado Estime a quantidade de condensado gerado em um intervalo de tempo idêntico a duração do ensaio Discuta criticamente a diferença entre este valor calculado e medido pela proveta Sempre apresente os resultados com a incerteza Determine a vazão mássica de ar seco e vazão mássica de vapor pelo condensador Discuta sobre a não formação de condensado no condensador Sempre apresente os resultados com a incerteza Faça o balanço de massa e energia para o ar e forneça a taxa de calor transferida ao evaporador Assista novamente o vídeo d o s 3 primeir o s experimento s e inclua nos cálculos a potência do eletroventilador 1100 hp Considere a taxa de transmissão de calor por radiação térmica ambiente para a área de passagem do evaporador 31x21 cm adotando emissividade 0 1 alumínio polido Discuta a relevância desta parcela de energia Sempre apresente os resultados com a incerteza Apresente uma discussão dos resultados comparação das potências encontradas para o ar e para o R12 no caso do evaporador e explicações para justificar as causas da diferença entre elas Faça o balanço de massa e energia para o ar e forneça a taxa de calor transferida ao condensador Assista novamente o vídeo d o s 3 primeir o s experimento s e inclua nos cálculos a potência do eletroventilador 140 hp Considere a taxa de transmissão de calor por radiação térmica ambiente para a área de passagem do condensador 33x26 cm adotando emissividade 0 1 alumínio polido Discuta a relevância desta parcela de energia Sempre apresente os resultados com a incerteza Apresente uma discussão dos resultados comparação das potências encontradas para o ar e para o R12 no caso do condensador e explicações para justificar as causas da diferença entre elas