MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA BANCADA DE VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTOS COM MUDANÇA DE FASE RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO Apresentado na disciplina de Medições Térmicas ENG03108 Daniel de Resende Rodrigues Diego Maggi Rech Giovani Mendes da Silva Wilson Klen de Azevedo Porto Alegre, Julho de 2007

2 1 RESUMO O presente experimento visa montar uma bancada para visualização do escoamento do fluido refrigerante R134a, comumente utilizado em máquinas de refrigeração atuais, buscando visualizar sua mudança de fase dentro do sistema de evaporação, passando do estado líquido para gasoso. O projeto é composto por uma unidade condensadora e um evaporador, o qual é construído de mangueiras transparentes para possibilitar a constatação da mudança de fase do fluido e um tubo capilar é utilizado para permitir a entrada deste fluido no evaporador. Ainda são tomadas as medições de temperatura em dois pontos diferentes da unidade de evaporação, bem como a medição da pressão de entrada e saída no mesmo. Também são efetuadas as medições de temperatura e pressão no retorno e descarga do compressor e a temperatura do ar no condensador. Os padrões de escoamento foram identificados e os objetivos principais do trabalho foram alcançados. Palavras chave: Mudança de Fase; Evaporador; Fluido R134A.

3 2 1 INTRODUÇÃO Este experimento tem o objetivo de montar uma bancada para visualizar o que ocorre com o fluido refrigerante, neste caso R134a, em um evaporador. O evaporador foi construído de mangueiras transparentes para identificar os padrões de escoamento que se estabelecem durante a mudança de fase, passando do estado líquido para gasoso.

4 3 2 FUNDAMENTAÇÃO O estudo e compreensão dos problemas de mudança de fases de diversas substâncias são assuntos freqüentemente tratados em máquinas térmicas. As principais ferramentas utilizadas são as teorias de Transferência de Calor e Massa, fundamentadas na Termodinâmica básica. Sistemas de arrefecimento ou refrigeração representam situações práticas comuns ao nosso cotidiano e que utilizam a transferência de uma quantidade grande de calor, algumas vezes alterando significativamente as temperaturas e em outras ocasiões sem alterar a temperatura da mistura ou substância. Os dois tipos de transferência de calor podem ser definidos como segue: Calor Latente: É a energia transferida para uma substância, ou de uma substância, em decorrência da mudança de fase da mesma, sem que haja aumento ou diminuição de sua temperatura. Calor Sensível: É a energia transferida para uma substância ou de uma substância, causando uma variação considerável de sua temperatura, sem que esta mude seu estado físico. O objetivo do experimento realizado é demonstrar visualmente a mudança de fase do R134a de um sistema comum de refrigeração, a fim de tornar mais fácil a compreensão da Transferência de Calor Latente na unidade evaporadora. Para ser possível esta representação visual da mudança de fase, foi construída uma bancada a partir de um sistema de refrigeração comercial, utilizando alguns componentes extras para medição de temperaturas e pressões.

5 4 3 PADRÕES DE ESCOAMENTO COM MUDANÇA DE FASE Conforme trabalho de Barbieri (2005) é esperado que a mudança de fase ocorra ao longo do duto, com padrões de escoamento bem definidos. À medida que o processo de vaporização acontecer, a quantidade de vapor aumentará e, por conseqüência da conservação de massa, a velocidade média deve aumentar devido à redução da massa especifica média. Como os padrões de escoamento são fortemente dependentes da velocidade relativa entre as fases, uma seqüência de padrões se estabelece, como pode ser observado (Figura 1). Figura 1: Representação da seqüência dos padrões de escoamento no processo de vaporização (Barbieri, 2005).

6 5 No inicio do processo de ebulição o padrão de escoamento apresenta predominantemente pequenas bolhas dispersas. Logo em seguida surgem padrões transientes com interfaces pouco definidas, mas mesmo assim é possível identificar o padrão de escoamento pistonado, intermitente, anular, estratificado e, no ultimo seguimento do tubo, névoa.

7 6 4 DESCRIÇÃO DA BANCADA A bancada de visualização apresentada foi proposta como uma tentativa de detectar o que ocorre com o fluido - neste caso, o R134a em um processo de refrigeração em sistema hermético (Figura 2). Este equipamento é representativo de qualquer outro relacionado a este processo. Isto quer dizer que possuem tipos de componentes em comum. Todos são montados contando com uma unidade condensadora, que possui um trocador de calor em fluxo cruzado entre o R134a na parte interna e o ar ambiente na externa, quer seja por ventilação natural, caso dos refrigeradores domésticos, quer seja por ventilação forçada, como o equipamento proposto, utilizado na área comercial ex.: balcões e ilhas de supermercados. Figura 2: Vista geral da bancada de visualização instrumentada para leituras de temperaturas e pressões.

8 7 O componente responsável por manter o deslocamento do fluido ao longo da tubulação é o compressor. Neste caso foi utilizado um modelo a pistão de 1/10 cv para 127v. Na seqüência dos componentes por onde o fluido circula, contando com a descarga do compressor como o ponto de partida, após passar pelo condensador este fluido encontra o elemento que tem uma das principais funções do sistema: introduzir uma obstrução com perda de carga controlada para o fluxo. Esta tarefa pode ser executada por válvulas de expansão, ou orifício calibrado com pistons, ou ainda por um tubo capilar, sendo, o último, o mecanismo usado neste experimento. A partir do terminal de saída do tubo capilar é que inicia o estudo desta bancada. A próxima e última etapa do sistema é chamada EVAPORADORA (Figura 3). É onde ocorre a transformação do fluido do estado líquido para o vapor, sem alteração significativa da temperatura, visto que acontece uma transferência de Calor Latente, apenas com a mudança da fase do R134a.. Figura 3: Unidade evaporadora transparente e o tubo capilar

9 8 5 MONTAGEM DA BANCADA Quanto à utilização da bancada para visualização ela é bastante simples. Após ter-se realizado todas as conexões mecânicas visando a completa vedação do sistema e feita a carga do fluido em observação, basta conectar a bancada de visualização de escoamento à uma rede elétrica e acionar o interruptor localizado na própria bancada. A visualização desejada começará a ser observada imediatamente após a ligação da mesma. A parte transparente do sistema (evaporador) começará a congelar o vapor de água contido na superfície da mangueira cristal evidenciando que a bancada é funcional e que o princípio físico da absorção de calor do meio quando da troca de fase de líquido para vapor é de fato verdadeira. Um fato a ser observado é que o sistema não deverá possuir vazamentos, pois se isso acontecer o gás utilizado no processo sairá do circuito, reduzindo sua pressão e permitindo assim que ar atmosférico junto com umidade do ar entre no sistema e prejudique a visualização do processo, visto que o ar atmosférico só ocupará volume do sistema não exercendo o papel de fluido evaporativo e como conseqüência o processo em discussão não poderia ser observado. Toda a sensorização da bancada de experimento é visual, constituindo-se de quatro manômetros, um amperímetro e opcionalmente um sensor Penta para medição da temperatura em cinco pontos diversos da bancada. Como esta primeira bancada foi construída com fins didáticos para visualização de escoamentos com troca de fase, não objetivamos nesta primeira parte uma busca de resultados buscando otimizar alguma parte do processo. Entretanto, o experimento deixa em aberto a oportunidade de incrementos ao sistema para medir e monitorar por exemplo, a eficiência do equipamento visando a diminuição do consumo de energia elétrica, ou ainda a diminuição de ruído do equipamento, custos de produção, impacto ambiental dos produtos utilizados na fabricação e no processo de operação, entre outros. A mudança de fase, nesta etapa do sistema, está sendo visualizada pela introdução de um evaporador transparente, construído com mangas cristais, sendo respeitadas todas as medidas de diâmetro e comprimento dos tubos, para não mudar os dados do projeto. Em todo sistema de refrigeração deve-se tomar alguns cuidados com a sua montagem.

10 9 Neste, as soldas foram realizadas com circulação de Nitrogênio, para evitar a formação de incrustações pela oxidação do O2 interno aos tubos e conseqüentes obstruções indesejadas ao sistema. Outro procedimento de extremo valor para o equipamento é a realização de vácuo para a retirada de todo e qualquer ar atmosférico contido na tubulação, evitando a obstrução pela umidade existente no ar. As medidas são consideradas boas quando atingem um valor abaixo de 500µmHg, o que foi alcançado com sobra depois de atingir 150µmHg (Figura 4). Figura 4: Foto do vacuômetro Após a realização do vácuo, foi dado início ao procedimento de carga do fluido. Com o compressor ainda desligado, através dos registros de serviço do conjunto de manômetros, é liberada a entrada do R134a até o momento de equilíbrio entre as pressões interna do sistema e do cilindro, como apresentado na Figura 5.

11 10 Figura 5: Manômetros que mostram a pressão de equilíbrio do R134a Com esta pré-carga, procede-se a partida do compressor para a conclusão da quantidade nominal de fluido. Esta quantidade é ditada em projeto por massa de fluido, neste caso em torno de 90gramas de R134a. Jamais se coloca uma carga de qualquer fluido refrigerante controlando-se pressão interna ou a corrente elétrica consumida pelo compressor. Isto porque, neste tipo de fluido, a pressão é influenciável pela temperatura, ou seja, um é totalmente dependente da variação do outro. Isto quer dizer que, quando muda a temperatura do ambiente onde se encontra, altera sua pressão e com isso, o consumo de energia elétrica, o que não ocorre com a massa, permanecendo sempre a indicada pelo cálculo do projeto. Como neste sistema é utilizada uma carga muito pequena de fluido, qualquer quantidade em gramas a mais ou a menos se torna uma grande diferença no rendimento. Isto foi provocado para confirmar os problemas que podem acontecer aos resultados. Colocando 10gramas além da carga nominal notou-se que ocorre um deslocamento do ponto de evaporação para depois da unidade evaporadora, reduzindo rendimento e aumentando o risco de golpe de líquido no compressor- que trabalha com deslocamento exclusivo de vapor, retornando em seguida à carga nominal.

12 11 Estas duas situações foram registradas nas fotos seguintes, no terminal de saída do evaporador (Figuras 6 e7). Figura 6: Excesso de fluido Figura 7: Nominal de fluido

13 12 Para levantamento das medidas de pressões foram utilizados manômetros de diferentes escalas, visto que o sistema tem regiões de baixa e de alta pressão, para que obtivessem leituras com menores erros. Foram definidos 04 pontos de tomada de pressão: 1. Descarga do compressor 2. Saída da condensadora 3. Saída do tubo capilar ou entrada da evaporadora 4. Sucção do compressor ou saída da evaporadora. Os locais de interesse desta bancada são os pontos 3 e 4, por se tratarem da entrada e saída da unidade em estudo. Com a quantidade nominal da carga de fluido, o manômetro do ponto 3 registrou uma alta pressão de 75psig(libra por polegada quadrada)- conforme a Figura 8, e o manômetro do ponto 4 registrou uma baixa pressão de 3 psig, sendo o mesmo valor da pressão de retorno (sucção ) ao compressor mostrada na Figura 9. Figura 8: alta pressão Figura 9: baixa pressão

14 13 Foi utilizado um termômetro digital portátil, com 5 sensores, da marca Full Gauge, com faixa de medição de -50 C até 150 C, resolução de 0,1 C e incerteza de ±0,3% fe. Na avaliação das temperaturas foram escolhidos 05 pontos de referência para fixação dos sensores e aquisição de seus valores. 1. Descarga do compressor apresentou T=38 C; 2. Saída da unidade condensadora mostrou T=36 C; 3. Saída do tubo capilar ou entrada da EVAPORADORA == T= -18,5 C (Figura 10); 4. Saída da unidade EVAPORADORA ou sucção do compressor == T= -18 C; 5. Saída do ar na unidade condensadora mostrando 19 C ganhando 2 C do R134a. Figura 10: Registro da temperatura no ponto 3.

15 14 6 RESULTADOS Os principais objetivos do experimento foram atingidos, portanto, a visualização do escoamento do fluido refrigerante, a identificação dos padrões de escoamento e a mudança de fase líquida-vapor foram apresentadas no evaporador. Também é possível identificar o congelamento da umidade do ar na superfície externa da unidade evaporadora, conforme a Figura 11. Figura 11: Condensação e congelamento da umidade do ar na evaporadora

16 15 7 CONCLUSÕES Concluímos que os objetivos que motivaram a construção da bancada de visualização e do estudo dos fenômenos que envolvem este experimento foram alcançados plenamente. Foi possível visualizar perfeitamente o fluido em estado líquido trocar de fase na unidade evaporadora, tornando-se vapor. Não somente isso, como ficou muito claro a transferência de calor na unidade em questão, onde foi possível evidenciar a saturação da umidade do ar da vizinhança do evaporador e seu posterior congelamento, o qual adicionou uma excelente ilustração das informações coletadas pelos aparelhos de medição de temperatura e pressão, que fizeram um mapeamento do funcionamento do sistema. Como melhoria para futuros experimentos, poderia haver um estudo semelhante ao realizado no evaporador, mas na unidade de condensação. Um dos maiores problemas que teriam de ser contornados seria a alta pressão de trabalho nesta região do sistema de refrigeração, exigindo uma tubulação muito resistente e de material translúcido para ocorrer uma visualização semelhante a do evaporador. Outra sugestão de experimento é a estimativa da taxa de transferência de calor e a verificação do comportamento do fluido quando alguns parâmetros do sistema (pressão, carga do fluido, transferência de calor, etc.) são alterados.

17 16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BANDARA FILHO, E.P. Estudo da Transferência de Calor em Ebulição Convectiva de refrigerantes em Tubos Horizontais. 142 p. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Paulo, BARBIERI, PAULO EDUARDO. Estudo Teórico-Experimental da Ebulição Convectiva do Refrigerante R-134ª em Tubos Lisos. 302p. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Paulo, FOX, R. W.; MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, CENTRO de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA): Disponível em:< Acesso em: 26 Junho 2007.

18 17 TABELA DE AVALIAÇÃO. Relatório Fundamentação Instrumentação Resultados e conclusões Incertezas de medição