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
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Figura 3: Unidade evaporadora transparente e o tubo capilar
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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, 1997.
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, 2005.
FOX, R. W.; MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 5.ed. Rio de Janeiro:
LTC, 2001.
CENTRO de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA): Disponível em:<www.cepa.if.usp.br>.
Acesso em: 26 Junho 2007.
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TABELA DE AVALIAÇÃO.
1
Relatório
Fundamentação
Instrumentação
Resultados e conclusões
Incertezas de medição
2
3
4
5
6
7
8
9
10