441247-Ar Condicionado Aula 01 Termodinamica

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Engenharia Mecânica Ar Cond ic ionado

Ar CondicionadoBIBLIOGRAFIA:McQuiston F. C., Parker J. D. and Spitler J. D., Heating, Ventilating, and Air Conditioning – Analysis and Design, 5 th, John Wiley & Sons, Inc.,

ISBN 0-471-35098-2.

Stoecker,W. F., Saiz Jabardo,J. M., RefrigeraçãoIndustrial, 2ªed., Edgard Blücher, 2002. i i i l l

Stoecker, W. F., Jones, J. W., Refrigeração e Ar Condicionado,McGraw-Hill, 1985

Çengel, Y. A., Boles, M. A., Thermodynamics: An Engineering Approach, 5ª Ed., Mcgraw-Hill, 2006

Moran, M., J., Shapiro, H. N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 5ª Ed., John Wiley & Sons, 2006.

ASHRAE (American Society of Heat Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) - HandBook of Fundamentals ,2005.

ASHRAE (American Society of Heat Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) - HandBook of Refrigeration ,2006.

ASHRAE (American Society of Heat Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) - HandBook of Applications ,2007

ASHRAE (American Society of Heat Refrigeration, and Air Conditioning Engineers)HandBook of Systems and Equipments, 2008.

Kuehn, T. H., Ramsey, J. W ., Threlkeld, J. L., Thermal Environmental Engineering. 3ª ed., Prentice Hall, 1998.

ABNT NBR 16401, 2008. Instalações de ar condicionado - Sistemas centrais e unitários, Parte 1: Projeto Instalações de ar condicionado.

Prof Dr Paulo Eduardo Lopes BarbieriCEFET-MG – Campus II [ 1 ]

ABNT NBR 16401, 2008 Instalações de ar condicionado - Sistemas centrais e unitários, Parte 2: Parâmetros de conforto térmico.

ABNT NBR 16401, 2008 Instalações de ar condicionado - Sistemas centrais e unitários, Parte 3: Qualidade do Ar Interior;

Silva, J. G., Introdução à Tecnologia da Refrigeração e da Climatização, Artliber, 2004.

Kreider J. F. & Rabl A., Cooling and Heating of Buildings: Design for efficiency, McGraw Hill, New York, 1994, 890 p.

SMACMA, HVAC Systems Duct Design, Sheet Metal and Air Conditioning, Contractors National Association, Atlanta, 1989.

Macintyre A. J., Ventilação Industrial e Controle da Poluição, Guanabara, 2ed, 1991.


Conteúdo:

TERMODINÂMICA: REVISÃO

MISTRUA DE GASES E PSICROMETRIA

SISTEMAS DE AR CONDICIONADO

ZONEAMENTO

CARGA TÉRMICA

NORMAS TÉCNICAS PARA PROJETO

CONFORTO TÉRMICO


VENTILADORES E SISTEMAS DE DIFUSÃO DE AR

SISTEMAS HIDRÔNICOS

SISTEMAS DE EXPANSÃO DIRETA

SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA


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TERMODINÂMICA: REVISÃO



SISTEMA E VOLUME DE CONTROLE

Sistemas:

• Quantidade de matéria ou região do espaço escolhida para estudo.

• reg o ex erna ao s s ema a v z n ança.

• A superfície real ou imaginária que delimita o sistema e chamada de

fronteira• A fronteira pode ser móvel ou rígida e não possui massa nem espessura


Os sistemas podem ser classificados em:

• fechados

• abertos Volume de Controle


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Sistemas Fechados: calor e trabalho podem atravessar a fronteira do

sistema, porém a quantidade de massa dentro das

fronteiras do sistema permanece fixa.


Sistema

Sistema Isolado: nem calor nem trabalho,

nem massa podem atravessar a fronteira


Fechado

massa const ante

Fronteira


Sistemas Aber tos (Vo lume de Contro le): calor, trabalho e massa podem

atravessar a fronteira do sistema (superfície de controle), a

quantidade de massa dentro das fronteiras do sistema não


é fixa.



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PROPRIEDADES DE UM SISTEMA

PROPRIEDADE:

Característica macroscó ica do sistema ossui tanto

um valor numérico como um conjunto de unidades

3 tipos de propriedades termodinâmicas:

Extensiva: depende da massa (Volume, Energia)

Intensiva: inde ende da massa Pressão Tem eratura


Específica: propriedade extensiva divida pela massa

(Massa específica, Volume específico)Intensiva


ESTADO, PROCESSO E CICLO

ESTADO:Condição de um sistema descrito pelas suas propriedades

PROCESSO:

Transformação de um estado para outro ( seqüência de estados caminho)

• Regime Permanente: não há variação com o tempo• Regime Transiente: há variações com o tempo

CICLO:


Seqüência de processos que inicia e termina no mesmo estado

OBS.: Uma quantidade é uma propriedade se, e somente se, sua

mudança em valor entre dois estados é independente do processo.


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LEI ZERO DA TERMODINÂMICA E TEMPERATURASe dois corpos estão em equilíbrio térmico com um

terceiro, eles estão em equilíbrio térmico entre si

. .

Escalas de Temperatura

Definidas a partir de um valor numérico associado a um ponto fixo padrão.

Internacionalmente ponto fixo padrão é o ponto triplo da água (T=0,01°C e 610Pa)

Principais:


•Escala Celsius (°C)•Escala Fahrenheit (°F)

•Escala Rankine (°R)

•Escala Kelvin (K)


ESCALAS DE TEMPERATURA

T( C) T(K) 273,15

T( R) 1,8 T(K)

T( F) T( R ) 459, 67


T( F) 1, 8 T( C) 32


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6


PRESSÃOF

PA

=

atm g

c

mlim

Massa Específica

atm ,


mano abs atm

vacuo atm abs

P P P

P P P


FASE E SUBSTÂNCIA PURA

Fase: quantidade de matéria homogênea (mesma composição

química e estrutura física)

Substância Pura: composição química invariável e uniforme

Sistema Simples: 2 propriedades intensivas independentes

determinam o estado

Sistema Compressível Simples: Sistema simples composto por

uma substância pura


Outros Sistemas Simples: Sistema Elástico Simples, Sistema

Magnético Simples


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AVALIANDO PROPRIEDADESSistema Compressível Simples

Relação P-v-T

Experimentos: P=P(v,T) Superfície P-v-T

Substância em Equilíbrio

Na mudança de fase P e T são dependentes

Mudança de fase: Vaporização, Solidificação e Sublimação


Ponto Triplo: Três fases em equilíbrio

Linha Tripla: linha que passa pelo ponto triplo

Estado de Mudança de Fase: Estado de Saturação


Domo de Vapor: região composta pelasfases líquido e vapor

AVALIANDO PROPRIEDADESRelação P-v-T

Líquido Saturado e de Vapor Saturado

Ponto Crítico: união das Linhas de LíquidoSaturado e de Vapor Saturado

Temperatura Crítica: Máxima temperaturaque as fases líquido e vapor coexistem emequilíbrio (Pressão Crítica e o Volume Crítico)

Diagrama T-v


Região de Vapor Superaquecido

Região de líquido comprimido ou sub-resfriado

Acima do ponto crítico não há distinção entreas fases(assemelha-se a um gás)

Diagrama P-v


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Diagrama P-h Diagrama T-s

AVALIANDO PROPRIEDADES



TABELAS DE PROPRIEDADES

• Relação funcional muito complicada Tabelas;

• Algumas propriedades termodinâmicas são medidas diretamente;

• Outras propriedades termodinâmicas são derivadas;

• Tabelas divididas em:

•Região de Vapor Superaquecido;

•Região de Saturação (Líquido+Vapor);•Região de Líquido Comprimido;

•Regiões envolvendo a fase sólida.


Propriedades Termodinâmicas:

Pressão (P)

Temperatura (T)

Volume Específico (v)

Energia Interna (u)

Entalpia (h)

Entropia (s) Saturação : TÍTULO (x)


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9


REGIÃO DE SATURAÇÃO l v

l vvm m m

l vl v

v

m mv v v

m m

mT itulo : x

m


l v

l lv

v (1 x)v x v

v v x v

lv v lv v v

Prop. Intensiva

x=0 liquido saturado

x=1 vapor saturado


l

lv

v vx

v

REGIÃO DE SATURAÇÃO

P e T são propriedades intensivas dependentes

l v

l v

v x v x v

u (1 x)u xu

h 1 x h xh

l lv

l lv

v v x v

u u xu

l

lv

l

u ux

u

h hx


v

l vs (1 x)s x s

l lv

l lvs s x s

lv

l

lv

s sx

s


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REGIÃO DE VAPOR SUPERAQUECIDO



REGIÃO DE LÍQUIDO COMPRIMIDO

• Nem sempre as tabelas são

disponibilizadas

• .

dependem mais da temperatura

do que da pressão

Aproximação: adota-se as propriedades


o qu o compr m o como as o

liquido saturado à mesma temperatura.

Entalpia: L,T L,T sat,Th h v P P


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ESTADO DE REFERÊNCIA E VALORES DE REFERÊNCIA

• u, h, s não são medidas diretamente ESTADO REFERÊNCIA;

NBP (Normal Boiling Point): Entalpia e Entropia = 0 Liq. Sat. a P=1atm

ASHRAE: Entalpia e Entropia = 0 Liquido Saturado a -40°C

IIR: Entalpia=200 kJ/kg e Entropia = 1 kJ/kg.K Liquido Saturado a 0°C

International Institute of Refrigeration


• Independente do estado de referência a variação das propriedades é a

mesma

• O valor absoluto pode variar com o estado de referência


ENERGIA INTERNA• Energia diversas formas: Elétrica, Mecânica, Térmica entre outras;

• Análise Termodinâmica: Energia Macroscópica e Energia Microscópica

•Macroscópica: energia que o sistema possui em relação a um

referencial ENERGIA CIN TICA E POTENCIAL;

•Microscópica: energia associada à estrutura e atividade molecular do

sistema não depende de um referencial ENERGIA INTERNA (U)

• Energia Interna Específica (u): Uu m Unidade no SI: J/kg

ENERGIA


E U EC EP

Ee (energia específica)

m

mEC

2

EP mgz


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ENTALPIA• Combinação de propriedades

• Do grego enthalpien que significa calor

H U P • Entalpia Específica (h ou i)

h u Pv Unidade no SI: J/kg


• Prof. Richard Mollier popularização do termo entalpia Análise de turbinas a vapor

Diagramas de Mollier


CALOR ESPECÍFICO

• Aplicados somente em condições nas quais há somente uma fase

• Relação entre propriedades

• Propriedade intensiva

• Unidade no SI: [J/kg.K]

vv

uu u(T,v) c

T

pc

Razão de Calor Específico


pP

hh h(T,P) c

T

vc


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CALOR ESPECÍFICO

Modelo de Substância Incompressível:

• Sólidos

v

du

c (T) (incompressível)dT

h(T,P) u(T) Pv

• Líquidosv P

P

h duc c c

T dT

2

1

T

2 1

T

2 1 2 1 2 1

u u c(T) dT

h h u u v (P P )


2

1

T

2 1 2 1

T

h h c(T) dT v (P P ) Em geral é muito pequeno


1ª LEI DA TERMODINÂMICA

• Princípio da Conservação da Energia

A energia não pode ser criada nem destruída

, .

• Balanço de Energia

sistemaE U EC EP

sistema final inicialE E E


• Sistema Fechado : Trabalho e Calor E

• Volume de Controle: Trabalho, Calor e Fluxo de Massa E

sistE Q W


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• Balanço de Energia: Forma Diferencial

SISTEMAS FECHADOS

dE Q W

• Balanço de Energia: Forma de Taxa

dEQ W


• Regime Permanente: As propriedades não variam com o tempo.

• Regime Transiente ou Transitório: As propriedades variam com o tempo.


1ª LEI DA TERMODINÂMICABalanço de Energia para Ciclos

ciclo cicloQ W

Q W


Ciclo de Potência Ciclo de Refrigeraçãoou Bomba de calor


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Eficiência Térmica - Para Ciclos

ciclo entra saith

W Q QCiclos de Potência :

entra entra

entra entraR

ciclo entra sai

Q QCiclo de Refrigeração : COP

W Q Q

Coeficientes de Desempenho - Para Ciclos


sai saiHP

ciclo entra sai

Q QCiclo de Bomba de Calor : COPW Q Q

HP RCOP COP 1



Eficiências na Conversão de Energia

Q Calor liberado na combustão

a or ssoc a o aocom us ve

elet,saigerador

mec,entra

WW


iluminação

eletrica, consumida

Quantidade de Lumens

W


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Eficiências na Conversão de Energia

fluidoEbombaentraW

saiturbina

fluido

W

E

motor bomba motor bomba

turbina gerador turbina gerador


mec,saimotor

eletrica,entra

W

W


m V AVazão em Massa Vazão Volumétrica

CONSERVAÇÃO DA MASSA – VOLUME DE CONTROLE

avg cV Amv

avg cV A

Unidades SI: [kg/s]

Unidades SI: [m³/s]


vce s

e s

mm m

dt

Equação da Conservação da Massa – Forma Diferencial


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ANÁLISE EM REGIME PERMANENTE - VOLUME DE CONTROLE

• Escoamento Unidimensional

•Escoamento normal à fronteira do volume de controle;

•

VAm V A (unidimensional)

v

• Regime Permanente – Conservação da Massa


vce s e s

e s e s

dm m m m mdt


1ª LEI DA TERMODINÂMICA – VOLUME DE CONTROLE

2 2vc e s

vc vc e e e e e s s s s s

dE V VQ W m u P v gz m u P v gz

dt 2 2

e e e e s s s sh u P v ; h u P v

2 2vc e s

vc vc e e e s s se s

dE V VQ W m h gz m h gzdt 2 2

1ª Lei da Termodinâmica para Volume de Controle – Forma Diferencial


2 2e s

vc e e e s s s vce s

V VQ m h gz m h gz W

2 2

• Regime Permanente


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2ª LEI DA TERMODINÂMICA• Direção em que um processo ocorre;

• Qualidade e quantidade da energia;

• Processo satisfazer a 1ª e a 2ª Lei da Termodinâmica

• 2ª Lei da Termodinâmica propriedade ENTROPIA

• 2ª Lei da Termodinâmica Limite teórico de máquinas térmicas



2ª LEI DA TERMODINÂMICA – Máquina Térmica

•Motores, Refrigeradores e Bombas de Calor

•Características das Máquinas Térmicas:

• Recebem ou rejeitam calor a fonte de alta

temperatura;

• Converte calor trabalho ou trabalho calor;• Rejeitam ou retiram o calor de fonte de baixa

temperatura;

•


, ,

• Utilizam um fluido de trabalho.


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Enunciado de Kelvin-Plank

É impossível para qualquer

dispositivo térmico que opera

segundo um ciclo termodinâmico

receber calor de um único

reservatór io térmico e produzir


trabalho líquido.

th 100% Não existe



Enunciado de Clausius

É impossível construir um dispositivo

que opera segundo um ciclo

termodinâmico e que não produzaoutros efeitos, além da transferência

de calor de um corpo a baixa


temperatura para um corpo a alta

temperatura.


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Processos Reversíveis e Irreversíveis

Processo Reversível: é um processo que quando revertido não se notará

algum vestígio no meio e no sistema. (Idealização)

Processo Irreversível: é um processo que quando revertido se notará algum

vestígio no sistema e/ou no meio. (Processos Reais)

Fontes de Irreversibilidades:

•


• Expansão não resistida de uma gás

• Transferência de calor com diferença finita de temperatura

• Mistura entre substâncias

• Reações químicas



Ciclo de Carnot

•Limite teórico para as máquinas térmicas

•Ciclo composto de 4 Processos Reversíveis (2 Isotérmicos e 2 Adiabáticos)

• Expansão Isotérmica Reversível

• Expansão Adiabática Reversível


• Compressão Adiabática Reversível

•É o mais eficiente entre dois reservatórios térmicos


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2ª LEI DA TERMODINÂMICA – Ciclo de Carnot

• A eficiência de uma máquina irreversível é

menor que a eficiência da máquina de Carnot

operando entre os mesmos reservatórios

térmicos.


• A eficiência de duas máquinas reversíveis

é mesma entre os mesmos reservatórios

térmicos (Independe do fluido de trabalho)



Máquina Térmica de Carnot

Motor Térmico de Carnot Refrigerador de Carnot

Lth,ccH

1T

R,CC

H

L

COPT

1

TBomba de Calor de Carnot

1

th,cc

th th,cc

th,cc

Motor IrreversívelMotor Reversivel

Motor Impossível


HP,CC

L

H

T1

T

R,CC

R R,CC

R,CC

COP Refrig. Irreversível

COP COP Refrig. Reversivel

COP Refrig.Impossível


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ENTROPIADesigualdade de Clausius

0T

•Físico Alemão R. J. E. Clausius (1822–1888)


• a a para c c os revers ve s e rrevers ve s•Igualdade ciclos reversíveis

•Desigualdade ciclos irreversíveis


ENTROPIA

Desigualdade de Clausius - para Processos

2

rev1

aus usT

2 1

2 11 2A c

Q Q0

T T Q QS S


S ENTROPIA

Unidade no SI : [ J/K ]Processos Reversíveis

2 11 2A B

1 2B C

T TQ Q0

T T


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PRINCÍPIO DO AUMENTO DA ENTROPIA2

2 11

Q QS S 0 dS

T T

g e r

Qd S S

T

ger

ger ger

S 0 Reversível

S 0 S 0 Irreversível


ger mposs ve

ger total sist meioS S S S meiomeio

QS

T


VARIAÇÃO DA ENTROPIA PARA UMA SUBSTÂNCIA PURA

• Estado Referência

• Propriedade derivada

Ss (Entropia Específica)

m

Unidade no SI : [ J/ kg K ]


a co evers ve

Processo Isoentrópico


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RELAÇÕES T dS•Sistema Compressível Simples

•Sistema Fechado

•

int,rev int,rev

int,rev int,rev

dU Q W

Q T dS ; W Pd

du Tds Pdv

dh du Pdv v dP


dU T dS Pd Tds du Pdv T ds dh v dP

Válidas para Processos Reversíveis e Irreversíveis


VARIAÇÃO DA ENTROPIA SÓLIDOS E LÍQUIDOS

Substâncias incompressíveis:

du c dT

P vc c c

du P dv

ds T

0

T

dT


s cT

22

2 1 2 1 medio11

Tc(T)dTs s s s c ln

T T


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VARIAÇÃO DA ENTROPIA PARA GASES PERFEITOS

vodu c dT vodu P dv dT dv

ds ds c RT T T v

Podh c dT

Pv RT

po

dh v dP dT dPds ds c R

T T T P

22

2 1 vo

vdTs s c (T) R ln

2 22 1 vo,medio

T vs s c ln R ln


11

22

2 1 po11

PdTs s c (T) R ln

T P

1 1

2 22 1 po,medio

1 1

T Ps s c ln R ln

T P


BALANÇO DE ENTROPIA

entra sai ger sistS S S S

sist final inicialS S S

Variação de Entropia do Sistema

Transferência de Entro ia O ue entra e sai


kcalor trabalhok k

esc.massa

QS (T const) ; S 0

T

S ms


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BALANÇO DE ENTROPIA – Sistema Fechado

k ger sistQ

S Sk k

Sistema Fechado Adiabático

er sistS S

Sistema + Vizinhança

er sist vizS S S


vizvizviz

QS

Tger S 0


BALANÇO DE ENTROPIA – Volume de Controle

vcke e s s ger

dSQm s m s S

k e sk

Regime Permanente

kger s s e e

s e k k

QS m s m s

T S 0


Regime Permanente Adiabático

ger s s e es e

S m s m s


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oT Temperatura de referência em K

IRREVERSIBILIDADE OU DESTRUIÇÃO DE EXERGIA

destruida o ger T S 0

0 Processo Irreversível

0 Processo Reversível


0 ProcessoImpossível

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