Laboratório de RAC. Válvulas de Expansão. Filipe Fernandes de Paula

Transcrição

1 Laboratório de RAC Válvulas de Expansão Filipe Fernandes de Paula Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/23

2 Introdução 2/23

3 Introdução A válvula de expansão possui a função de expandir o refrigerante ĺıquido proveniente do condensador, de modo a produzir uma queda brusca de temperatura e pressão; Ao passar pela estricção, vapor é formado, levando o ĺıquido a um estado de mistura ĺıquido vapor; O fenômeno físico que ocorre na expansão é chamado de efeito Joule-Thomson. 2/23

4 Conceitos Fundamentais 3/23

5 Conceitos Fundamentais As moléculas de uma podem se movimentar de três formas, 3/23

6 Conceitos Fundamentais Temperatura É uma grandeza física utilizada para medir o grau de agitação ou a energia cinética média das moléculas. Quanto mais agitadas essas moléculas estiverem, maior será sua temperatura. Energia térmica É a soma das energias cinéticas das particulas de um corpo. 4/23

7 Conceitos Fundamentais Energia Interna Energia interna de um sistema é a soma das energias cinética e potencial das partículas que constituem um gás. Energia Potencial É a energia devido às interações internas entre as moléculas do gás. Energia Cinética É a energia relacionada ao movimento das partículas do gás. 5/23

8 Conceitos Fundamentais Análise Lagrangeana - Sistemas: Descreve o comportamento de cada partícula, acompanhando sua trajetória no tempo; ideal para mecânica, pois os corpos são rígidos, não apresentando grande quantidade de partículas. Análise Euleriana - Volumes de controle: Descreve o comportamento da matéria através de um volume arbitrário no espaço, o qual engloba os pontos de interesse do fenömeno. Abordagem utilizada em mecânica dos fluidos, devido à impraticidade de descrever um grande número de moléculas em movimento. 6/23

9 Efeito Joule-Thomson 7/23

10 Experimento de Joule-Thomson Experimento de Joule-Thomson 1. Um meio poroso é montado em um tubo, de modo a se obter dois volumes separados; 2. Dois pistões são inseridos em ambos os lados to tubo 3. O sistema é completamente isolado termicamente; 4. Um lado possui um volume inical V 1 e o outro lado possui volume inicial zero; 5. Gás é forçado a passar pelo meio poroso de uma lado para o outro utilizando o pistão; 6. Pressão e temperatura são medidos em ambos os lados. 7/23

11 Experimento de Joule-Thomson O trabalho realizado no processo do lado esquerdo (1) é W 1 = p 1 (0 V 1 ) = p 1 V 1 ; O trabalho realizado no processo do lado direito (2) é W 2 = p 2 (V 2 0) = p 2 V 2 ; O trabalho total realizado é, W = W 2 + W 1 = p 1 V 1 p 2 V 2 (1) 8/23

12 Experimento de Joule-Thomson Pode-se aplicar a primeira Lei da Termodinâmica para sistemas ao processo, U = Q W (2) Como o sistema está isolado termicamente, tem-se, U 2 U 1 = W 2 + W 1 = p 1 V 1 p 2 V 2 (3) U 2 + p 2 V 2 = U 1 + p 1 V 1 (4) Lembrando da definição de entalpia (H = U + pv ), H 1 = H 2 (5) 9/23

13 Experimento de Joule-Thomson É observado que a temperatura do gás após a expansão difere de antes da expansão; Em certas condições, após a expansão pode ser observado um aumento ou diminuição da temperatura; Em geral se irá haver aumento ou diminuição depende do gás e de seu estado inicial pré-expansão. 10/23

14 Experimento de Joule-Thomson Alguns fenômenos importantes podem ser analisados para entender o efeito Joule-Thomson, A conservação de entalpia (e não energia interna) implica que pode ocorrer aumento ou diminuição de temperatura; As pressões p1 e p 2 permanecem constantes, e p 1 > p 2 ; Se V2 >> V 1 a energia interna U 2 precisa diminuir, o que leva uma redução de temperatura; Se V 2 << V 1 a energia interna U 2 precisa aumentar, o que leva um aumento de temperatura; 11/23

15 Efeito de Joule-Thomson O efeito de variação de temperatura com a pressão no efeito Joule-Thomson é medido pelo coeficiente de Joule-Thomson; µ JT = ( ) T p H (6) µjt > 0 - A expansão causa uma queda de temperatura; µjt < 0 - A expansão causa uma elevação de temperatura; µjt = 0 - Para um gás ideal; 12/23

16 Efeito de Joule-Thomson 13/23

17 Efeito de Joule-Thomson 14/23

18 Válvulas de Expansão 15/23

19 Tubo Capilar Nos sistemas de pequena capacidade (geladeiras, aparelhos de ar condicionado de janela, freezers, etc.) o dispositivo de expansão mais utilizado é o tubo capilar, que é um tubo de pequeno diâmetro, com determinado comprimento; O diâmetro interno de tubos capilares varia de 0,5 a 2,0 miĺımetros, com comprimentos desde 1,0 até 6,0 metros; O tubo capilar difere de outros dispositivos de expansão também pelo fato de não obstruir o fluxo de refrigerante para o evaporador quando o sistema está desligado. Quando o compressor é desligado, ocorre equalização entre as pressões dos lados alto e baixo através do tubo capilar. 15/23

20 Tubo Capilar Vantagens dos Tubos Capilares Simplicidade (não apresentam partes móveis); Baixo custo; Permitem a equalização das pressões do sistema durante as paradas (motor de acionamento do compressor pode ser de baixo torque de partida). Desvantagens dos Tubos Capilares Impossibilidade de regulagem para satisfazer distintas condições de carga; Risco de obstrução por matéria estranha; Exigência de uma carga de refrigerante dentro de limites estreitos; Redução da eficiência operacional para qualquer variação da carga térmica ou da temperatura de condensação. 16/23

21 Válvula de Expansão Automática A válvula de expansão de pressão constante, mantém uma pressão constante na sua saída, inundando mais ou menos o evaporador, em função das mudanças de carga térmica do sistema; A pressão constante, característica da válvula, resulta da interação de duas forças opostas: pressão do fluido frigorífico no evaporador e da pressão de mola; A pressão do fluido frigorífico exercida sobre um lado do diafragma age para mover a agulha na direção de fechamento do orifício da válvula; Enquanto a pressão de mola, agindo sobre o lado oposto do diafragma, move a agulha da válvula na direção de abertura do orifício. 17/23

22 Válvula de Expansão Automática 18/23

23 Válvula de Expansão Termostática Devido a sua alta eficiência e sua pronta adaptação a qualquer tipo de aplicação, as válvulas de expansão termostática são o dispositivo de expansão mais utilizados em sistemas de refrigeração de expansão direta; Estas válvulas regulam o fluxo de refrigerante que chega ao evaporador de forma a manter um certo grau de superaquecimento do vapor que deixa o mesmo; Quando o refrigerante passa através do orifício da válvula a sua pressão é reduzida até a pressão de vaporização; O refrigerante dos tubos do evaporador se vaporiza a medida que recebe calor; Em um ponto ao longo do tubo, todo o refrigerante ĺıquido vaporizou e, a partir deste ponto, qualquer fluxo adicional de calor provocará um aumento da temperatura do refrigerante. Quando o refrigerante alcança a saída do evaporador ele apresenta um pequeno grau de superaquecimento. 19/23

24 Válvula de Expansão Termostática 20/23

25 Experimento 21/23

26 Experimento O experimento consistirá em realizar 5 medições dos seguintes pontos, PS3, TS 3 ; PS4, TS 4 ; Utilizando PS 3 e TS 3 da primeira medição, calcular o coeficiente de Joule-Thomson usando a seguinte simplificação, µ JL = T p (7) h 21/23

27 Experimento Utilizando o coeficiente de Joule-Thomson, calcule a temperatura TS 4 teórica. 22/23