Termodinâmica aplicada à máquina frigorífica (10952)

Introdução

Esta sebenta ensina a ler uma máquina frigorífica com a termodinâmica. Não é um tratado de física: cada conceito aparece ligado a uma coisa que tens à frente na oficina, seja o manómetro de baixa pressão, o termómetro de contacto no tubo de aspiração, a placa de características do equipamento ou o diagrama de Mollier em papel. O objetivo final é este: com quatro ou cinco leituras feitas no equipamento, traçares o ciclo real no diagrama de Mollier (p-h), calculares o que a máquina está a fazer e perceberes, pelo desvio em relação ao ciclo normal, o que está avariado.

O percurso segue a ordem do referencial. Começa pelas grandezas físicas de base (força, pressão, temperatura e energia), pelas unidades do SI e pela conversão de unidades. Passa pela estrutura da matéria, pela pressão e pela temperatura vistas ao nível das moléculas, e pelas escalas de temperatura. Segue para o calor, as suas formas de transmissão e a diferença entre calor sensível e calor latente. Depois trata os gases perfeitos e as suas transformações, o gás real e o ponto crítico, e o comportamento das misturas de gases, onde aparecem as misturas azeotrópicas e as zeotrópicas. Com esta base, estuda o diagrama de Mollier, a máquina frigorífica com os seus componentes e o seu ciclo, as réguas, tabelas e ábacos que relacionam pressão, temperatura e tipo de fluido, o sobreaquecimento e o subarrefecimento, e por fim as anomalias de funcionamento com as respetivas medidas corretivas.

Objetivos de aprendizagem (referencial): reconhecer os conceitos e as unidades SI de força, pressão, temperatura e energia; reconhecer transformações termodinâmicas e as formas de transmissão do calor; aplicar as leis fundamentais da calorimetria e dos gases perfeitos; identificar as principais avarias de uma máquina frigorífica e respetivas medidas corretivas.

Como usar esta sebenta na oficina. Quase todos os exemplos resolvidos usam o fluido R134a, porque é um fluido de uma só substância, com tabelas e diagramas fáceis de encontrar, e porque os números ficam fáceis de acompanhar. Os valores de propriedades (pressões de saturação, entalpias) são valores de tabela de propriedades termodinâmicas, e num diagrama impresso tens de contar com uma incerteza de leitura de alguns kJ/kg. O método é o mesmo para qualquer outro fluido: identifica o fluido na placa de características do equipamento e usa as tabelas ou o diagrama desse fluido, nunca os de outro. As classes de segurança e os demais dados regulamentares de cada fluido estão na etiqueta, na ficha de dados de segurança e na legislação em vigor; esta sebenta não os substitui.

Segurança em todas as leituras. Ligar manómetros a um circuito frigorífico em carga é uma operação de risco: pressões de alguns bar e de dezenas de bar, líquido a temperaturas muito baixas que queima a pele, vapor inflamável em alguns fluidos, peças quentes e ventiladores em rotação. Na oficina da escola, as ligações ao circuito fazem-se sob a supervisão do professor, com óculos de proteção e luvas, e o manuseamento de fluidos frigorigéneos é reservado a técnicos habilitados, nos termos da legislação em vigor, que deves consultar na redação atual. O fluido nunca se liberta para a atmosfera: recupera-se e encaminha-se como a lei determina.

1. Conceitos físicos fundamentais: força, pressão, temperatura e energia

Quatro grandezas explicam quase tudo o que um manómetro e um termómetro te dizem sobre uma máquina frigorífica. Convém tê-las bem arrumadas antes de avançar, porque os erros mais caros da oficina (ler pressão absoluta como relativa, confundir temperatura com calor, esquecer que a potência é energia por unidade de tempo) nascem aqui.

Força

Força é o que muda o estado de movimento de um corpo ou o deforma. Mede-se em newton (N). A segunda lei de Newton liga-a à massa e à aceleração:

F = m × a

O peso de um corpo é a força com que a Terra o atrai: P = m × g, com g ≈ 9,81 m/s². Um compressor de 25 kg pesa 25 × 9,81 ≈ 245 N. Quando leste "kg" na balança da oficina, mediste massa; quando falas da força sobre os apoios do compressor, falas de newton.

Na oficina, a força aparece em três sítios: no peso dos equipamentos que se transportam e se fixam, na força exercida pela pressão sobre as paredes dos tubos, das válvulas e dos vasos, e na força de aperto de uma porca de ligação, que se mede com a chave dinamométrica.

Pressão

Pressão é a força aplicada perpendicularmente a uma superfície, a dividir pela área dessa superfície:

p = F / A

A unidade SI é o pascal (Pa), que é 1 N/m². É uma unidade muito pequena, por isso na prática usam-se o kPa, o MPa e, na refrigeração, sobretudo o bar (1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa).

Há três maneiras de contar a mesma pressão, e é aqui que a oficina mais se engana:

A ligação entre as duas é simples:

p absoluta = p relativa + p atmosférica

Com a pressão atmosférica normal de 1,013 bar (1013,25 mbar), um manómetro que marca 1,6 bar está a medir 2,61 bar absolutos. As tabelas de saturação vêm quase sempre em absoluto e os manómetros e as escalas de temperatura gravadas nos manómetros em relativo, por isso convém escrever sempre "bar (relativos)" ou "bar abs" ao lado do número. Em muitos catálogos aparece "barg" (bar gauge, relativo) e "bara" (bar absolute).

Exemplo resolvido · Força da pressão sobre uma ligação

Durante uma leitura, o lado de alta de uma máquina de R134a marca 11,0 bar (relativos). Uma tampa de uma válvula de serviço tem uma área interior de 2,0 cm². Que força faz o fluido sobre essa tampa?

1. Converter a área para o SI: 2,0 cm² = 2,0 × 10⁻⁴ m².
2. Converter a pressão relativa para Pa: 11,0 bar = 11,0 × 100 000 = 1 100 000 Pa. A força líquida sobre a tampa, com a atmosfera do outro lado, depende da diferença de pressão, ou seja, da pressão relativa.
3. Calcular a força: F = p × A = 1 100 000 × 2,0 × 10⁻⁴ = 220 N.

Isto equivale ao peso de um corpo de cerca de 22 kg pendurado numa tampa do tamanho de uma moeda grande. Por isso nunca se desaperta uma ligação nem uma tampa com o circuito em pressão: antes de abrir, confirma-se no manómetro que a pressão desceu, e abre-se devagar.

Temperatura

Temperatura é a grandeza que diz quão quente ou frio está um corpo, e que decide para que lado vai o calor quando dois corpos se tocam: o calor vai sempre do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa. A unidade SI é o kelvin (K); na oficina usa-se o grau Celsius (°C). Aprofundamos isto no capítulo 4.

Temperatura não é calor. Uma panela com água a 90 °C e uma banheira com água a 40 °C: a panela tem a temperatura mais alta, mas a banheira contém muito mais energia térmica. A temperatura mede o "nível"; o calor mede a "quantidade" de energia que passa de um corpo para outro.

Energia

Energia é a capacidade de realizar trabalho. Mede-se em joule (J); um joule é o trabalho de uma força de 1 N ao deslocar o seu ponto de aplicação 1 m na sua direção:

W = F × d

Numa máquina frigorífica aparecem três formas de energia que se transformam umas nas outras:

• Energia elétrica, que o motor do compressor recebe da rede (kWh no contador).
• Energia mecânica, o trabalho que o compressor realiza sobre o fluido ao comprimi-lo.
• Energia térmica (calor), que o evaporador absorve do espaço a arrefecer e o condensador rejeita para o ambiente.

A potência é a energia por unidade de tempo: P = E / t, em watt (W = J/s). Um compressor com 400 W de potência consome 400 J em cada segundo. Daqui sai a diferença que a oficina confunde muitas vezes: kW é potência (taxa de transferência de energia) e kWh é energia (o produto da potência pelo tempo). Um equipamento de 0,4 kW a funcionar 5 horas consome 0,4 × 5 = 2 kWh.

O princípio da conservação da energia diz que a energia não se cria nem se destrói, só se transforma. É o que permite fazer o balanço energético da máquina frigorífica no capítulo 10: o calor rejeitado no condensador é igual ao calor absorvido no evaporador mais o trabalho do compressor.

Ainda uma grandeza que vais usar muito: a entalpia (h), a energia que cada quilograma de fluido transporta consigo, somando a energia interna e a energia necessária para o "empurrar" contra a pressão. Em termos práticos, a entalpia é a energia térmica "contida" em cada kg de fluido (em kJ/kg), e as diferenças de entalpia entre dois pontos do circuito dizem quanto calor foi trocado por cada kg que passou.

2. Unidades de medida do SI e conversão de unidades

O Sistema Internacional de Unidades (SI) tem sete unidades de base; as outras derivam delas. Para este curso interessam estas:

Os prefixos multiplicam por potências de dez: k (quilo, 10³), M (mega, 10⁶), m (mili, 10⁻³), µ (micro, 10⁻⁶). Assim, 1 kJ = 1000 J, 1 MPa = 10⁶ Pa, 1 mm = 0,001 m.

As unidades que ainda vês na oficina

O SI é a norma, mas os manómetros, os catálogos e os equipamentos mais antigos continuam cheios de outras unidades. Tens de as reconhecer e converter sem hesitar.

Pressão

Os manómetros americanos têm psi no lado exterior da escala e, em muitos casos, bar ou kPa no interior. O vácuo aparece em polegadas de mercúrio (inHg) nas escalas de baixa pressão e, nos vacuómetros digitais, em mícrons, em Pa ou em mbar. O vácuo tem de se medir em absoluto: um vacuómetro que marque 500 mícrons está a dizer que a pressão no circuito é 500 × 0,1333 = 66,7 Pa absolutos, ou seja, cerca de 0,0007 bar.

Energia, calor e potência

A "potência frigorífica" de aparelhos de ar condicionado continua a aparecer em BTU/h: um equipamento de "12 000 BTU/h" tem cerca de 3,5 kW de capacidade frigorífica.

Temperatura

Uma diferença de temperatura tem o mesmo valor em K e em °C, e em °F é 1,8 vezes maior. O sobreaquecimento de 6 K é o mesmo que 6 °C de diferença, e 10,8 °F de diferença.

Método para converter sem erros

O método mais seguro é o do fator de conversão igual a 1: multiplica-se a grandeza por uma fração cujo numerador e denominador valem o mesmo e cancelam as unidades indesejadas.

1. Escreve o valor com a unidade de partida.
2. Escolhe a relação entre as unidades (por exemplo, 1 bar = 100 000 Pa).
3. Escreve a fração de modo a que a unidade de partida cancele e a de chegada fique no sítio certo.
4. Calcula e confirma se a ordem de grandeza é razoável (compara com a tabela do capítulo 11: a 50 °C, o R134a está perto dos 12 bar relativos e o R410A perto dos 30).

Exemplo resolvido · De psi para bar

Um manómetro americano de alta marca 145 psi. Quantos bar são?

1. Valor: 145 psi.
2. Relação: 1 psi = 0,0689476 bar.
3. Cálculo: 145 psi × 0,0689476 bar/psi = 10,0 bar.
4. Verificação: 10 bar é uma pressão de condensação plausível para R134a (correspondente a cerca de 43 °C de condensação, como verás no capítulo 11). Se este manómetro for relativo (psig), a pressão é 10,0 bar relativos.

Exemplo resolvido · De BTU/h para kW

Um aparelho de ar condicionado tem na placa "9000 BTU/h". Qual é a capacidade em kW?

1. Valor: 9000 BTU/h.
2. Relação: 1 BTU/h = 0,29307 W.
3. Cálculo: 9000 × 0,29307 = 2637,6 W = 2,64 kW.

E 36 000 BTU/h? 36 000 × 0,29307 = 10 550 W, ou seja, 10,55 kW, que é 3 TR (36 000 / 12 000).

Exemplo resolvido · Um vácuo em polegadas de mercúrio

Um manómetro composto marca "28 inHg" de vácuo. Qual é a pressão absoluta no circuito, em kPa?

1. Depressão: 28 inHg × 3,38639 kPa/inHg = 94,8 kPa abaixo da pressão atmosférica.
2. Pressão atmosférica normal: 101,325 kPa.
3. Pressão absoluta: 101,325 - 94,8 = 6,5 kPa abs.

Isto ainda está muito longe de um bom vácuo: 6,5 kPa são 6500 Pa, ou cerca de 49 000 mícrons. O vácuo de desidratação mede-se em centenas de mícrons, com vacuómetro adequado, e o valor a atingir é o indicado pelo fabricante do equipamento.

Exemplo resolvido · De kWh para MJ e custo

Um expositor refrigerado consome 3,5 kWh num dia. Quantos MJ são? 3,5 × 3,6 = 12,6 MJ. Se o kWh custar 0,20 €, o custo diário é 3,5 × 0,20 = 0,70 €.

Exemplo resolvido · Temperaturas

• Uma câmara de congelados a -18 °C: T = -18 + 273,15 = 255,15 K, e em Fahrenheit 1,8 × (-18) + 32 = -0,4 °F.
• Um manómetro americano marca na escala de temperatura do R134a "104 °F" na alta: t = (104 - 32) / 1,8 = 40 °C.
• Um compressor com a descarga a 72 °C está a 345,15 K.

3. Estrutura e estados da matéria; pressão na perspetiva microscópica

Os três estados e o que os distingue

Toda a matéria é feita de moléculas em movimento, ligadas entre si por forças de atração. O que distingue um sólido, um líquido e um gás é o equilíbrio entre a agitação térmica das moléculas e essas forças de atração.

Na refrigeração fala-se em vapor quando o gás está próximo da condensação (como o vapor de R134a numa linha de aspiração) e em gás para o que está longe disso (o azoto de uma botija). Fisicamente é o mesmo estado; a palavra "vapor" lembra que este gás pode voltar a líquido por arrefecimento ou por compressão.

Mudanças de estado

A vaporização tem duas formas. A evaporação acontece só à superfície do líquido, a qualquer temperatura, e é lenta. A ebulição acontece em todo o volume do líquido quando a temperatura atinge o ponto de ebulição para aquela pressão, e é rápida. No evaporador de uma máquina frigorífica o fluido ferve (ebulição), a uma temperatura baixa porque a pressão é baixa.

Pressão do gás vista ao nível das moléculas

Num gás, as moléculas deslocam-se em todas as direções, com velocidades enormes, e chocam constantemente contra as paredes do recipiente. Cada choque empurra a parede um pouco. A pressão é o efeito médio de biliões de choques por segundo sobre cada unidade de área.

Daqui saem três regras que usarás em toda a sebenta:

1. Mais moléculas no mesmo volume (comprimir, ou meter mais gás) significa mais choques e mais pressão.
2. Moléculas mais rápidas (aquecer) significa choques mais frequentes e mais fortes, logo mais pressão.
3. Mais espaço (expandir) significa menos choques por unidade de área e menos pressão.

É assim que um compressor funciona: reduz o volume e junta as moléculas do vapor, a pressão sobe. E é também por isso que, com o compressor parado, o lado de baixa e o de alta acabam por igualar: as moléculas espalham-se até a densidade ser igual em todo o circuito.

Pressão de vapor: porque cada temperatura tem a sua pressão

Fecha um líquido numa botija, com vapor por cima. Algumas moléculas do líquido, as mais rápidas, escapam para o vapor; outras moléculas do vapor chocam contra o líquido e são capturadas. Quando os dois movimentos se igualam, atinge-se o equilíbrio líquido-vapor, e o vapor exerce uma pressão chamada pressão de saturação (ou de vapor saturado), que só depende da temperatura e do fluido.

Esta é, talvez, a ideia mais útil de toda a unidade para a oficina: num circuito onde existe líquido e vapor do mesmo fluido, a pressão e a temperatura estão ligadas. Se conheces uma, conheces a outra, pela tabela do fluido. É assim que o manómetro serve de termómetro.

Exemplo resolvido · A botija e a pressão

Uma botija de R134a está numa oficina a 20 °C e tem líquido e vapor lá dentro. Que pressão marca um manómetro ligado à válvula?

1. Há líquido e vapor, logo a pressão é a de saturação a 20 °C.
2. Na tabela do R134a, a 20 °C a pressão absoluta é 5,72 bar.
3. Em relativo: 5,72 - 1,013 = 4,7 bar.

Se a botija estiver quase vazia, mas ainda com um pouco de líquido, a pressão marca exatamente o mesmo. A pressão não diz quanto fluido há na botija. Para saber quanto resta, pesa-se a botija e subtrai-se a tara. Se o manómetro marcar menos do que o valor da tabela, ou a botija está mais fria do que pensas, ou não tem líquido (só vapor). Se marcar mais, ou a botija está mais quente do que pensas, ou tem lá dentro um gás não condensável (ar), que soma a sua pressão parcial (lei de Dalton).

Mistura de gases e pressões parciais

Numa mistura de gases que não reagem, cada gás exerce a pressão que exerceria se estivesse sozinho no volume, e a pressão total é a soma das parciais. É a lei de Dalton:

p total = p₁ + p₂ + p₃ + ...

Este facto é a chave para perceber o que acontece quando entra ar num circuito (por uma fuga do lado de baixa, depois de má evacuação ou ao ligar mangueiras que não foram evacuadas). O ar (azoto e oxigénio) não condensa nas condições do condensador; fica lá em cima e soma a sua pressão parcial à pressão do vapor do fluido. O resultado é uma pressão de alta mais elevada do que a correspondente à temperatura de condensação, e é por isso que o teste de equilíbrio (capítulo 13) compara a pressão lida com a pressão de saturação à temperatura ambiente, com o circuito parado há horas.

4. Temperatura: perspetiva microscópica e macroscópica, e escalas

Duas maneiras de olhar para a temperatura

Perspetiva microscópica. A temperatura de um corpo é a medida da energia cinética média das suas moléculas. Moléculas mais rápidas, temperatura mais alta. Quando duas moléculas chocam, a mais rápida cede energia à mais lenta; por isso, ao fim de algum tempo, um corpo quente em contacto com um frio faz o frio aquecer e o quente arrefecer. O que se transfere entre eles é calor.

A velocidade das moléculas tem um mínimo teórico: quando a agitação térmica for nula não se pode arrefecer mais. É o zero absoluto, 0 K ou -273,15 °C, que nunca se atinge na prática.

Perspetiva macroscópica. Sem olhar para as moléculas, a temperatura é aquilo que o termómetro mede quando entra em equilíbrio térmico com o corpo. É a lei zero da termodinâmica: se A está em equilíbrio térmico com B, e B com C, então A está em equilíbrio com C. É esta lei que permite a um termómetro de contacto dizer a temperatura do tubo: encosta-se ao tubo, espera-se que deixem de trocar calor e lê-se.

A consequência prática é imediata. Para medir bem a temperatura de um tubo, o termómetro tem de estar em contacto firme com ele e isolado do ar ambiente; senão mede uma temperatura intermédia, entre a do tubo e a do ar.

As escalas de temperatura

As escalas relativas (Celsius, Fahrenheit) têm o zero fixado por convenção em fenómenos da água. A escala absoluta (Kelvin) tem o zero no zero absoluto, e por isso é a única que se usa nas fórmulas dos gases. O intervalo de 1 K é igual a 1 °C; em °F é 1/1,8 do kelvin.

As conversões, que deves saber de cor:

• T (K) = t (°C) + 273,15 (na oficina, arredonda-se para 273).
• t (°F) = 1,8 × t (°C) + 32.

Exemplo resolvido · Escalas

A temperatura de condensação de um equipamento é 46,4 °C. Escreve-a em K e em °F.

1. Em kelvin: T = 46,4 + 273,15 = 319,55 K.
2. Em Fahrenheit: t = 1,8 × 46,4 + 32 = 83,5 + 32 = 115,5 °F.

Temperaturas que contam na máquina frigorífica

Numa máquina frigorífica não há uma temperatura, há pelo menos seis, e saber qual medes é metade do diagnóstico:

Instrumentos e boas práticas de medida

• Termómetro de contacto com sonda de pinça (termopar ou NTC): o mais usado para tubos. Aperta-se a pinça ao tubo limpo (sem tinta, sem óxido), e envolve-se a sonda com isolante (fita ou espuma) para não medir o ar.
• Termómetro digital de espeto: para o ar e para líquidos.
• Termómetro de infravermelhos: rápido, mas engana em superfícies metálicas brilhantes (cobre polido, alumínio), porque esses materiais têm emissividade muito baixa e "refletem" o ambiente. Serve para uma triagem rápida (um tubo quente ou frio), nunca para calcular sobreaquecimento.
• Dois termómetros ao mesmo tempo: para diferenças de temperatura (por exemplo, antes e depois do filtro secador), usa dois do mesmo modelo, colocados da mesma forma, e confirma que lêem o mesmo quando juntos.

A incerteza de um termómetro de oficina é, tipicamente, de 1 K. Um sobreaquecimento de 6 K lido com termómetros diferentes em cada ponta pode andar 1 a 2 K para cada lado. Por isso, nas medições comparativas, usa sempre o mesmo instrumento e o mesmo procedimento.

Exemplo resolvido · Diferença de temperatura num filtro secador

À entrada de um filtro secador, o termómetro marca 33 °C; à saída, 24 °C.

1. Diferença: 33 - 24 = 9 K.
2. Interpretação: um filtro desimpedido tem uma diferença de temperatura de poucos kelvin entre os dois lados (da ordem de 1 K). Uma queda de 9 K significa que há restrição, pois o fluido ao passar por um ponto estreito expande-se parcialmente e arrefece. O filtro está obstruído e deve ser substituído.

5. Calor e transferência de calor

O que é o calor

Calor é a energia que passa de um corpo para outro devido a uma diferença de temperatura. Não é uma propriedade que um corpo "tem": é energia em trânsito. Um corpo tem energia interna e temperatura; só se fala de calor quando há transferência. Mede-se em joule (J), kJ ou kWh, e a taxa a que o calor se transfere (potência térmica) em watt.

Duas ideias a fixar:

1. O calor flui espontaneamente do corpo quente para o frio. Nunca ao contrário sem ajuda.
2. A máquina frigorífica é precisamente essa "ajuda": gasta trabalho (energia elétrica do compressor) para bombear calor de um sítio frio para um sítio quente. Por isso se diz que uma máquina frigorífica é uma bomba de calor: o princípio é o mesmo, muda o interesse (arrefecer o espaço frio ou aquecer o espaço quente).

As três formas de transmissão do calor

Condução. Transmissão de calor através de um material sólido (ou de um fluido parado), de molécula para molécula, sem movimento do material. A taxa depende do material, da área, da espessura e da diferença de temperatura (lei de Fourier):

Q̇ = λ × A × ΔT / e

com Q̇ em W, λ (condutividade térmica) em W/(m·K), A em m², ΔT em K e e (espessura) em m. Os metais têm λ elevado (o cobre ronda os 380 W/(m·K)); os isolantes têm λ baixo (as espumas de isolamento rondam os 0,02 a 0,04 W/(m·K)).

Convecção. Transmissão de calor entre uma superfície e um fluido em movimento (ar ou água). O fluido que passa pela superfície leva o calor consigo. Pode ser natural (o ar quente sobe) ou forçada (ventilador, bomba). Lei de Newton do arrefecimento:

Q̇ = h × A × ΔT

com h (coeficiente de convecção) em W/(m²·K). A convecção forçada tem h muito maior do que a natural; é por isso que os evaporadores e os condensadores têm ventiladores. Quando o ventilador pára, o h cai e o permutador perde capacidade.

Radiação. Transmissão de calor por ondas eletromagnéticas, sem precisar de meio material. Todo o corpo quente irradia. A lei de Stefan-Boltzmann dá a potência trocada entre uma superfície e a vizinhança:

Q̇ = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)

com ε (emissividade, entre 0 e 1), σ = 5,67 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴) e temperaturas em kelvin. É a radiação do sol sobre um condensador exterior sem proteção e sobre a cobertura de uma câmara.

Exemplo resolvido · Calor que atravessa a parede de uma câmara

A parede de uma câmara frigorífica é um painel de espuma com 80 mm de espessura e λ = 0,025 W/(m·K). A área de parede exposta é de 30 m². No interior, 2 °C; no exterior, 35 °C. Que potência térmica entra por condução?

1. Dados em SI: e = 0,080 m; A = 30 m²; ΔT = 35 - 2 = 33 K; λ = 0,025 W/(m·K).
2. Fórmula: Q̇ = λ × A × ΔT / e.
3. Cálculo: Q̇ = 0,025 × 30 × 33 / 0,080 = 24,75 / 0,080 = 309 W.
4. Leitura: o evaporador tem de retirar, só para compensar esta parede, 309 W. Se a espessura fosse 40 mm, entrariam 618 W, o dobro. Por isso uma porta mal vedada ou um painel danificado pesa tanto na fatura e na capacidade.

Exemplo resolvido · Radiação sobre um condensador

A superfície metálica pintada de um condensador (ε = 0,9) está a 60 °C, com uma área de 1 m², e a vizinhança está a 35 °C. Que potência é irradiada?

1. Temperaturas em K: T₁ = 333,15 K; T₂ = 308,15 K.
2. T₁⁴ = 1,2318 × 10¹⁰ K⁴; T₂⁴ = 9,017 × 10⁹ K⁴; diferença = 3,30 × 10⁹ K⁴.
3. Q̇ = 0,9 × 5,67 × 10⁻⁸ × 1 × 3,30 × 10⁹ = 168 W.

Num condensador arrefecido a ar, a convecção forçada domina; a radiação é uma parcela menor, mas é real, e explica porque se sente o calor de um condensador a distância.

Transferência de calor sem mudança de fase e com mudança de fase

Para a máquina frigorífica interessa saber o que acontece ao fluido que troca o calor.

Sem mudança de fase (calor sensível). O fluido aquece ou arrefece, mudando de temperatura, mas mantém-se no mesmo estado. Exemplos:

• O ar que passa pelo evaporador e sai mais frio.
• A água de um circuito de água gelada que perde calor.
• O vapor sobreaquecido que se arrefece na descarga antes de começar a condensar.
• O líquido subarrefecido que continua a baixar de temperatura no fim do condensador.

Com mudança de fase (calor latente). O fluido ferve ou condensa, e durante a mudança de fase a temperatura mantém-se constante (para um fluido de uma só substância) à pressão constante, enquanto o calor entra ou sai em grande quantidade. Exemplos:

• O fluido a ferver no evaporador, a absorver calor.
• O fluido a condensar no condensador, a libertar calor.

Os coeficientes de transferência de calor com mudança de fase (ebulição e condensação) são muito maiores do que com ar. É por isso que os permutadores da máquina frigorífica são compactos e conseguem trocar muito calor com pequena diferença de temperatura.

A potência térmica total de um permutador pode escrever-se como Q̇ = U × A × ΔT, onde U é o coeficiente global de transferência (que reúne convecção, condução na parede e eventual sujidade), A é a área de troca e ΔT é a diferença média de temperatura entre os dois fluidos. Daqui saem as causas mais comuns de falta de capacidade:

• U baixo: sujidade nas alhetas do condensador, geada no evaporador, ventilador lento, óleo nas paredes dos tubos.
• A reduzida: parte do evaporador a trabalhar mal alimentada, alhetas amachucadas.
• ΔT mal formado: para a mesma capacidade, se o U ou o A diminuírem, o ΔT sobe, o que se vê no manómetro como pressão de condensação mais alta ou pressão de evaporação mais baixa.

Exemplo resolvido · Condensador sujo, pressão de alta que sobe

Um condensador rejeita 1,6 kW para o ar a 30 °C com uma temperatura de condensação de 46 °C. Com as alhetas sujas, o U × A cai para 70 % do valor original. A que temperatura de condensação passa a funcionar, mantendo-se os 1,6 kW?

1. Antes: ΔT = 46 - 30 = 16 K; U×A = Q̇ / ΔT = 1600 / 16 = 100 W/K.
2. Depois: U×A = 0,70 × 100 = 70 W/K.
3. Novo ΔT para os mesmos 1600 W: ΔT = 1600 / 70 = 22,9 K.
4. Nova temperatura de condensação: 30 + 22,9 = 52,9 °C.
5. No R134a, 52,9 °C corresponde a cerca de 13,2 bar relativos, contra os 10,9 de antes. Este é o sintoma de um condensador sujo: a pressão de alta sobe e o compressor gasta mais energia (e aquece mais) a fazer o mesmo trabalho frigorífico.

6. Calor sensível e calor latente

Calor sensível

É o calor que faz variar a temperatura de uma substância sem alterar o estado. Calcula-se com a equação fundamental da calorimetria:

Q = m × c × ΔT

onde Q é o calor (kJ), m a massa (kg), c o calor específico (kJ/(kg·K)) e ΔT a variação de temperatura (K). O calor específico é a quantidade de calor necessária para aumentar 1 K a temperatura de 1 kg da substância. Quanto maior for o c, mais calor é preciso e mais devagar a substância muda de temperatura.

Na máquina frigorífica, o calor sensível é a parcela pequena do total, mas é a que se vê no termómetro. O sobreaquecimento e o subarrefecimento são, ambos, trocas de calor sensível.

Calor latente

É o calor que faz mudar de estado sem mudar a temperatura. Calcula-se com:

Q = m × L

onde L é o calor latente da mudança de estado, em kJ/kg. Para a água, a fusão do gelo exige L = 334 kJ/kg e a vaporização exige cerca de 2256 kJ/kg à pressão atmosférica.

O calor latente é o motor da refrigeração. Um quilograma de R134a a ferver a -10 °C absorve cerca de 206 kJ sem subir um grau de temperatura. Para absorver a mesma energia sob a forma de calor sensível no vapor, teria de aquecer 206 / 0,88 ≈ 234 K, o que é impossível. Por isso o evaporador é um permutador onde o fluido ferve e não um permutador onde aquece.

O calor latente diminui com a temperatura e anula-se no ponto crítico. Este é um dos motivos pelos quais uma temperatura de condensação alta prejudica a capacidade.

A curva de aquecimento e a sua leitura

Aquece-se água sólida (gelo) a uma potência constante e regista-se a temperatura ao longo do tempo. Obtém-se uma curva com cinco troços:

1. Gelo a aquecer (sensível, c = 2,1): a temperatura sobe até 0 °C.
2. Fusão (latente, 334 kJ/kg): a temperatura fica em 0 °C enquanto houver gelo.
3. Água a aquecer (sensível, c = 4,19): a temperatura sobe até 100 °C.
4. Ebulição (latente, 2256 kJ/kg): a temperatura fica em 100 °C enquanto houver água líquida.
5. Vapor a aquecer (sensível): a temperatura volta a subir.

No evaporador de uma máquina frigorífica a história é a mesma para o fluido frigorigéneo: entra como mistura líquido-vapor (troço do "patamar", a temperatura praticamente constante), ferve todo, e só depois do último pingo de líquido o vapor começa a aquecer. Essa subida final é o sobreaquecimento, e será medida na prática.

Exemplo resolvido · Do gelo à água

Quanto calor é preciso para transformar 2 kg de gelo a -10 °C em água a 20 °C?

1. Gelo de -10 a 0 °C: Q₁ = m × c × ΔT = 2 × 2,1 × 10 = 42 kJ.
2. Fusão a 0 °C: Q₂ = m × L = 2 × 334 = 668 kJ.
3. Água de 0 a 20 °C: Q₃ = 2 × 4,19 × 20 = 167,6 kJ.
4. Total: 42 + 668 + 167,6 = 877,6 kJ.

Repara no peso do troço latente: 668 dos 877,6 kJ (76 %). Foi por isso que se usou gelo para conservar alimentos durante séculos.

Exemplo resolvido · Arrefecer água num circuito de água gelada

Um circuito de água gelada tem 500 kg de água a 14 °C. A máquina tem 3,0 kW de capacidade frigorífica útil. Quanto tempo leva a baixar a água para 8 °C, desprezando perdas?

1. Calor a retirar: Q = m × c × ΔT = 500 × 4,19 × (14 - 8) = 500 × 4,19 × 6 = 12 570 kJ.
2. Potência: 3,0 kW = 3,0 kJ/s.
3. Tempo: t = Q / P = 12 570 / 3,0 = 4190 s ≈ 70 minutos.
4. Em obra, isto será mais, porque entram ganhos pela tubagem e pelo depósito. O cálculo dá o mínimo teórico.

Exemplo resolvido · Calor sensível do ar num evaporador

O ventilador de um evaporador movimenta 1200 m³/h de ar (massa volúmica 1,2 kg/m³) e o ar arrefece 6 K ao atravessá-lo. Qual é a potência sensível retirada?

1. Caudal mássico: ṁ = 1200 × 1,2 / 3600 = 0,40 kg/s.
2. Potência: Q̇ = ṁ × c × ΔT = 0,40 × 1,005 × 6 = 2,41 kW.
3. Se o ventilador rodar mais devagar (menos caudal), a mesma potência dará um ΔT maior no ar, e o evaporador terá uma pressão de evaporação mais baixa. É por isso que um ventilador do evaporador com a hélice suja, ou um filtro de ar entupido, fazem baixar a pressão de baixa.

Exemplo resolvido · Congelar água

Quanto tempo leva uma máquina de 2,0 kW de capacidade a congelar 10 kg de água que já está a 0 °C?

1. Q = m × L = 10 × 334 = 3340 kJ.
2. t = 3340 / 2,0 = 1670 s ≈ 28 minutos.
3. Se a água estivesse a 15 °C, havia que somar o arrefecimento: 10 × 4,19 × 15 = 628,5 kJ, dando 3968,5 kJ e cerca de 33 minutos.

7. Transformações da massa gasosa e lei dos gases perfeitos

O gás perfeito

Um gás perfeito (ou ideal) é um modelo: um gás cujas moléculas são pontos sem volume próprio e sem forças de atração entre si, que só interagem por choques perfeitamente elásticos. Nenhum gás real é perfeito, mas o ar, o azoto, o oxigénio e o hélio a pressões e temperaturas de oficina comportam-se quase como tal, e a equação do modelo é muito útil para prever o que acontece quando se aquece, comprime ou arrefece um gás.

A equação de estado

p × V = n × R × T

• p: pressão absoluta (Pa);
• V: volume (m³);
• n: quantidade de matéria (mol);
• R: constante universal dos gases, 8,314 J/(mol·K);
• T: temperatura absoluta (K).

Escrita em função da massa, fica:

p × V = m × R_esp × T, com R_esp = R / M (a constante específica do gás, em J/(kg·K)).

Para o ar, R_esp ≈ 287 J/(kg·K). Para o R134a, cuja massa molar é 102 g/mol, R_esp ≈ 81,5 J/(kg·K).

Duas regras que não se esquecem: a pressão é sempre absoluta e a temperatura é sempre em kelvin. Um engano de 1,013 bar ou de 273 K muda completamente o resultado. Metade dos erros de cálculo em exercícios de gases vem de pôr aqui a pressão lida no manómetro ou a temperatura em °C.

Os três casos particulares

Quando uma das variáveis fica constante, a equação reduz-se a uma lei simples, e cada uma tem um nome e uma aplicação.

A lei geral dos gases reúne as três para uma massa de gás fixa:

p₁ V₁ / T₁ = p₂ V₂ / T₂

Exemplo resolvido · Boyle-Mariotte

Um gás ocupa 10 L à pressão atmosférica (1,013 bar abs). Comprime-se lentamente, mantendo a temperatura, até ocupar 2 L. Qual é a pressão final?

1. Lei de Boyle: p₁ V₁ = p₂ V₂.
2. p₂ = p₁ × V₁ / V₂ = 1,013 × 10 / 2 = 5,07 bar abs.
3. Em relativo: 5,07 - 1,013 = 4,05 bar.
4. Leitura: reduzir o volume a um quinto multiplicou a pressão absoluta por cinco. É a razão de compressão (5) que importa.

Exemplo resolvido · Gay-Lussac e o ensaio de pressão com azoto

Um circuito de tubagem é posto a 15,0 bar (relativos) com azoto, num dia em que a oficina está a 15 °C. À tarde, a temperatura sobe para 35 °C. Que pressão marca o manómetro, sem qualquer fuga?

1. Volume constante: isovolúmica, p₁ / T₁ = p₂ / T₂.
2. Em absoluto: p₁ = 15,0 + 1,013 = 16,013 bar abs.
3. Em kelvin: T₁ = 15 + 273,15 = 288,15 K; T₂ = 35 + 273,15 = 308,15 K.
4. p₂ = p₁ × T₂ / T₁ = 16,013 × 308,15 / 288,15 = 17,12 bar abs.
5. Em relativo: 17,12 - 1,013 = 16,1 bar.
6. Leitura: a pressão subiu 1,1 bar sem fuga nenhuma, só pela temperatura. Cada kelvin faz variar cerca de 0,056 bar neste caso. Ao fazer um ensaio de estanquidade que dura horas, regista-se a temperatura ambiente no início e no fim, e corrige-se a leitura. Concluir "perdeu 1 bar, há fuga" quando a temperatura desceu 18 K é um erro clássico (e o inverso também).

Exemplo resolvido · Charles e o ar do condensador

Um ventilador de condensador movimenta 1000 m³/h de ar medidos à entrada a 25 °C. O ar sai a 40 °C, à mesma pressão. Qual é o caudal volumétrico à saída?

1. Isobárica: V₁ / T₁ = V₂ / T₂.
2. T₁ = 298,15 K; T₂ = 313,15 K.
3. V₂ = 1000 × 313,15 / 298,15 = 1050 m³/h.
4. O ar aqueceu e dilatou 5 %. Quando se dimensiona um ventilador, ou se mede um caudal com anemómetro, convém saber em que lado se mediu.

Exemplo resolvido · Lei geral

30 L de ar a 1,013 bar abs e 20 °C são comprimidos até 8,0 bar (relativos), e aquecem até 80 °C. Qual é o volume final?

1. Pressões absolutas: p₁ = 1,013; p₂ = 8,0 + 1,013 = 9,013 bar abs.
2. Temperaturas: T₁ = 293,15 K; T₂ = 353,15 K.
3. V₂ = p₁ V₁ T₂ / (p₂ T₁) = 1,013 × 30 × 353,15 / (9,013 × 293,15) = 10 732 / 2642 = 4,06 L.

Exemplo resolvido · Massa de ar numa câmara

Qual é a massa de ar numa câmara de 40 m³, a 2 °C e à pressão atmosférica normal?

1. p = 101 325 Pa; V = 40 m³; T = 275,15 K; R_esp = 287 J/(kg·K).
2. m = p V / (R_esp T) = 101 325 × 40 / (287 × 275,15) = 4 053 000 / 78 968 = 51,3 kg.
3. Este ar tem de ser arrefecido sempre que se abre a porta e entra ar quente. A sua massa (51 kg a 1,005 kJ/(kg·K)) mostra o peso do calor sensível do ar na carga térmica.

Compressão, expansão e as quatro transformações da máquina frigorífica

Em termodinâmica, o fluido passa por transformações: caminhos que ligam um estado a outro. Para as máquinas frigoríficas interessam quatro, e cada uma tem um nome:

Numa compressão adiabática (sem troca de calor com o exterior) o gás aquece muito, porque o trabalho do compressor fica todo no gás. Para um gás perfeito:

T₂ = T₁ × (p₂ / p₁)^((k-1)/k)

com k (expoente adiabático) igual a 1,4 para o ar.

Exemplo resolvido · Porque é que a compressão aquece

Ar a 20 °C e 1,0 bar abs é comprimido adiabaticamente até 8 bar abs. Qual é a temperatura final?

1. T₁ = 293,15 K; razão de compressão = 8; k = 1,4, logo (k-1)/k = 0,2857.
2. T₂ = 293,15 × 8^0,2857 = 293,15 × 1,811 = 531 K = 258 °C.
3. Leitura: com razão de compressão 8, o ar chega a 258 °C sem qualquer fonte de calor. No R134a, as temperaturas são mais baixas (o expoente é menor e o compressor tem alguma refrigeração), mas o princípio é o mesmo: quanto maior a razão de compressão p₂/p₁, maior a temperatura de descarga. É por isso que uma pressão de baixa muito baixa, ou uma pressão de alta muito alta, aumentam a temperatura de descarga e podem degradar o óleo.

Num circuito frigorífico a razão de compressão calcula-se sempre com pressões absolutas. No exemplo do capítulo 10, o R134a tem 2,613 bar abs à aspiração e 12,013 bar abs à descarga: razão = 12,013 / 2,613 = 4,6.

8. Gás ideal e gás real: o ponto crítico; comportamento das misturas

Quando o gás ideal falha

O vapor de um fluido frigorigéneo, sobretudo quando está perto da condensação, não é um gás perfeito. As moléculas atraem-se e têm volume próprio. Para medir quanto se afasta o gás real do ideal usa-se o fator de compressibilidade Z:

Z = p × v / (R_esp × T)

com v o volume específico real (m³/kg). Z = 1 é gás perfeito. Z < 1 significa que o gás ocupa menos volume do que o modelo prevê, porque as forças de atração aproximam as moléculas.

Exemplo resolvido · Vapor de R134a: ideal contra real

Compara o volume específico do vapor de R134a segundo o gás perfeito e segundo a tabela de propriedades, em dois estados.

1. R_esp do R134a = 8,314 / 0,102 = 81,5 J/(kg·K).
2. Aspiração: p = 2,613 bar abs = 261 300 Pa, t = 10 °C = 283,15 K. Gás perfeito: v = R_esp T / p = 81,5 × 283,15 / 261 300 = 0,0883 m³/kg. Tabela: 0,0824 m³/kg. Z = 0,93: o gás perfeito sobrestima o volume em 7 %.
3. Vapor saturado a 46,4 °C, 12,013 bar abs: gás perfeito v = 81,5 × 319,55 / 1 201 300 = 0,0217 m³/kg. Tabela: 0,0167 m³/kg. Z = 0,77: o gás perfeito sobrestima o volume em 30 %.
4. Leitura: perto da condensação e a pressões altas, o gás perfeito falha muito. Por isso para os fluidos frigorigéneos se usam tabelas de propriedades e o diagrama de Mollier, que já incorporam o comportamento real, e se deixa a equação dos gases perfeitos para o ar, o azoto e raciocínios qualitativos.

O ponto crítico

Se comprimires um vapor a temperatura constante, ele condensa a partir de certa pressão. Quanto mais alta a temperatura, mais alta a pressão necessária. Mas existe uma temperatura acima da qual nenhuma pressão faz o vapor condensar: é a temperatura crítica. A pressão de saturação a essa temperatura é a pressão crítica, e o par forma o ponto crítico. Acima dele, o fluido é um fluido supercrítico, que já não se distingue entre líquido e gás: não há superfície de separação nem calor latente.

O ponto crítico tem consequências práticas:

1. Um gás só se liquefaz por compressão se estiver abaixo da sua temperatura crítica. O azoto e o oxigénio têm temperaturas críticas muito baixas e nunca condensam nas condições de uma oficina; por isso estão em botijas de gás comprimido e não de líquido.
2. Perto do ponto crítico o calor latente é pequeno e a capacidade frigorífica por quilograma de fluido cai. Um condensador em dificuldade (sujo, de ventilador parado, ambiente muito quente) empurra a condensação para cima, na direção do ponto crítico, e o rendimento do ciclo diminui.
3. O R744 (CO₂) tem uma temperatura crítica de apenas 31 °C: em dias quentes, o lado de alta de um sistema de CO₂ funciona acima do ponto crítico e já não condensa, e as instalações são concebidas para trabalhar assim (ciclo transcrítico). Para os fluidos que estudas em oficina, a condensação a 40 ou 50 °C fica longe do ponto crítico, por isso a teoria "líquido, vapor, mistura" vale.

Misturas de gases frigorigéneos

Alguns fluidos frigorigéneos não são uma substância pura, mas uma mistura de duas ou mais substâncias, escolhida para obter as propriedades desejadas. O seu comportamento na mudança de fase é diferente do de um fluido puro, e isso tem consequências diretas na leitura do manómetro.

Fluido puro (e mistura azeotrópica). Num fluido puro, a ebulição e a condensação fazem-se a temperatura constante para uma dada pressão. Uma mistura azeotrópica comporta-se da mesma maneira: à pressão constante, ferve e condensa a temperatura constante, porque a composição do líquido é igual à do vapor com que está em equilíbrio. Na prática, trata-se como um fluido puro: existe uma única relação pressão-temperatura. Um exemplo é o R507A, que se comporta como azeotrópico.

Mistura zeotrópica. Numa mistura zeotrópica (zeotrópica é o termo técnico usado na especialidade; o referencial desta unidade designa-a por «mistura anisotrópica», mas é a palavra zeotrópica que deves usar), o líquido e o vapor em equilíbrio têm composições diferentes: o componente mais volátil evapora primeiro. Por isso a mudança de fase não é isotérmica à pressão constante; a temperatura desliza (glide) entre dois valores:

• Ponto de bolha (bubble point): a temperatura a que o líquido saturado começa a ferver (ou onde acaba de condensar).
• Ponto de orvalho (dew point): a temperatura a que o vapor saturado começa a condensar (ou onde acaba de evaporar).
• Deslizamento (glide) = ponto de orvalho - ponto de bolha.

Há misturas com deslizamento tão pequeno (R404A, R410A) que se tratam, na prática, como se não tivessem, mas o deslizamento do R407C é considerável e obriga a mudar o método de leitura:

1. Dois valores de temperatura por pressão. Os manómetros e as tabelas dos zeotrópicos trazem duas escalas ou duas colunas: bolha e orvalho (ou, em alguns catálogos, "líquido" e "vapor").
2. Sobreaquecimento mede-se em relação ao ponto de orvalho (temperatura a que o vapor acaba de se formar).
3. Subarrefecimento mede-se em relação ao ponto de bolha (temperatura a que o líquido acabou de condensar).
4. A carga faz-se em fase líquida. Se se retirar vapor de uma botija de mistura zeotrópica, sai mais componente volátil e a composição da botija muda. Por isso a botija é carregada com a válvula de líquido, e o fabricante do equipamento diz como.
5. Uma fuga pode alterar a composição da mistura que fica no circuito, e a recarga "por cima" pode ser desaconselhada pelo fabricante. Em caso de dúvida, segue o manual do equipamento.
6. Nunca se misturam fluidos no mesmo circuito. A mistura de fluidos diferentes cria composições imprevisíveis e pressões que não batem com nenhuma tabela.

Exemplo resolvido · Sobreaquecimento e subarrefecimento com R407C

Um equipamento com R407C marca 3,0 bar (relativos) na baixa e 16,0 bar na alta. O termómetro de aspiração lê 5 °C e o da linha de líquido lê 33 °C. Calcula o sobreaquecimento e o subarrefecimento.

1. Baixa: a 3,0 bar relativos, bolha = -10,2 °C e orvalho = -3,9 °C.
2. Sobreaquecimento = temperatura de aspiração - orvalho = 5 - (-3,9) = 8,9 K.
3. Alta: a 16,0 bar relativos, bolha = 38,9 °C e orvalho = 43,8 °C.
4. Subarrefecimento = bolha - temperatura do líquido = 38,9 - 33 = 5,9 K.
5. Armadilha: quem usasse a bolha na baixa obtinha 15,2 K de sobreaquecimento (falso), e quem usasse o orvalho na alta obtinha 10,8 K de subarrefecimento (também falso). Num zeotrópico, escolher a coluna errada é um erro de vários kelvin.

9. O diagrama de Mollier

Para que serve

O diagrama de Mollier (ou diagrama p-h) representa o estado de um fluido frigorigéneo num gráfico em que:

• o eixo horizontal é a entalpia específica h (kJ/kg), em escala linear;
• o eixo vertical é a pressão absoluta p (bar), em escala logarítmica.

Cada fluido tem o seu diagrama. Todo o ciclo frigorífico se vê nele como um polígono, cujos lados são as quatro transformações. A grande vantagem é que as diferenças de entalpia lêem-se como comprimentos horizontais, e essas diferenças são exatamente os calores trocados por quilograma de fluido e o trabalho do compressor.

O diagrama que consultes pode ter a entalpia de referência diferente da deste texto (nos diagramas do R134a é frequente a convenção em que o líquido saturado a 0 °C tem 200 kJ/kg). Isso não tem importância: usa sempre diferenças de entalpia, e nunca misturas valores de duas fontes.

As três zonas

A curva em forma de "sino" (a curva de saturação) divide o diagrama em três zonas:

O topo do "sino" é o ponto crítico. A curva da esquerda é a do líquido saturado (x = 0) e a da direita a do vapor saturado (x = 1). Dentro do "sino" a variável que importa é o título de vapor x, a fração mássica de vapor na mistura: x = 0 é todo líquido, x = 1 todo vapor, e x = 0,3 significa 30 % de vapor e 70 % de líquido em massa.

As principais linhas e o seu significado

Para não trocar estas duas linhas ao desenhar: no vapor sobreaquecido, para subir a mesma pressão a isentrópica precisa de muito pouca entalpia, por isso é íngreme, enquanto a isocórica precisa de várias vezes mais, por isso é mais deitada. No R134a, a pressões de 2,6, 5 e 12 bar abs, a isocórica precisa de cerca de dez vezes mais entalpia do que a isentrópica para o mesmo aumento de pressão; é uma ordem de grandeza, e a razão exata depende do fluido e do estado.

Algumas regras de leitura que poupam muitos erros:

1. Dentro do sino, pressão e temperatura andam juntas (a isotérmica é horizontal): cada altura (pressão) corresponde a uma só temperatura. É por isso que o manómetro serve de termómetro na zona húmida.
2. Fora do sino, p e t são independentes: para ler um ponto de vapor sobreaquecido precisas de duas informações, a pressão e a temperatura, e é no cruzamento das duas linhas que lês a entalpia.
3. No líquido subarrefecido, as isotérmicas são quase verticais: a entalpia depende quase só da temperatura, e a pressão pouco importa. Por isso se lê a entalpia do líquido pela sua temperatura, na curva do líquido saturado.
4. A distância horizontal entre o líquido e o vapor saturados (a largura do sino a uma pressão) é o calor latente. Em cima, junto ao ponto crítico, é pequena; em baixo, grande.

Esquema do ciclo no diagrama

O esquema abaixo não está à escala; mostra a posição relativa das zonas e dos pontos do ciclo.

 p (bar abs, escala log)
  ^
  |                        ponto crítico
  |                       .-"""-.
  |               x = 0 .'       '. x = 1
  |   3 <---- 3a ....'              '.... 2a <---- 2
  |   |      .'                          '.        /
  |   |    .'            mistura           '.     /  compressão
  |   |  .'           líquido + vapor        '.  /
  |   v.'                                       '.
  |   4 .....................................  1a ---> 1
  +-----------------------------------------------------> h (kJ/kg)

Percorre o ciclo no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio: compressão (1 para 2, a subir), arrefecimento e condensação (2 para 3, na horizontal, para a esquerda), expansão (3 para 4, na vertical, a descer) e evaporação (4 para 1, na horizontal, para a direita).

Como usar uma carta p-h impressa

O ciclo traça-se sobre uma carta p-h do fluido da unidade, em papel, que o professor imprime em A3 (um exemplar por grupo) ou que vem do fabricante do fluido ou do equipamento. Antes de desenhar, lê a carta como se lê um mapa:

1. Fluido. Confirma, no título da carta, que é o fluido da placa de características. Uma carta de outro fluido dá leituras sem sentido.
2. Eixo vertical. É a pressão, quase sempre em escala logarítmica: a distância entre 1 e 2 bar é igual à distância entre 10 e 20 bar. Lê na legenda do eixo se a escala está em pressão absoluta ou relativa. O manómetro marca pressão relativa: se o eixo da carta estiver em absoluta (o caso mais frequente), soma 1,013 bar à leitura antes de marcar o ponto; se o eixo já estiver em relativa, marca a leitura tal como a lês, sem somar nada.
3. Eixo horizontal. É a entalpia h, em kJ/kg, em escala linear. Confirma na legenda a referência de entalpia da carta. Se não for a das tabelas que usas, trabalha só com diferenças de entalpia e não mistures valores das duas fontes.
4. Curvas impressas. A curva em forma de sino são as duas linhas de título x = 0 (líquido saturado, à esquerda) e x = 1 (vapor saturado, à direita). Dentro do sino há as linhas de título intermédio (x = 0,1 a 0,9). Fora do sino há as isotérmicas (em °C), as isentrópicas (em kJ/(kg·K)) e as isocóricas (em m³/kg), com o valor escrito junto de cada linha, nas margens ou no próprio traço.
5. Entre duas linhas impressas, interpola à vista, com a régua. A incerteza de leitura é de 2 a 3 kJ/kg.
6. Desenha a lápis e com régua, numa cópia, e usa uma cor por ciclo quando houver mais de um no mesmo diagrama.

Se a carta não tiver alguma das famílias de curvas, não é falta tua: marca o ponto pela pressão e pela entalpia que obténs na tabela de vapor sobreaquecido do fluido, e o resultado vale o mesmo. Se faltar mesmo a carta e o fluido for o R134a, as tabelas de apoio abaixo permitem fazer um esboço: em papel milimétrico, com a pressão em escala logarítmica ou em papel semilogarítmico, marca os dez pontos de líquido e de vapor saturados, une-os para obter o sino, e marca os pontos 1, 2, 3 e 4 pela pressão e pela entalpia da tabela.

Tabela de apoio: R134a saturado

Valores de tabela de propriedades (entalpia de referência: líquido saturado a 0 °C com 200 kJ/kg). A pressão está em bar absolutos e em bar relativos.

Tabela de apoio: vapor sobreaquecido de R134a

Exemplo resolvido · Ler pontos no diagrama (e na tabela)

Um circuito de R134a tem 1,6 bar (relativos) na baixa e 11,0 bar (relativos) na alta. A temperatura medida no tubo de aspiração é 3 °C e a do tubo de descarga 72 °C. Localiza estes dois pontos.

1. Converter as pressões para absoluto: baixa = 1,6 + 1,013 = 2,613 bar abs; alta = 11,0 + 1,013 = 12,013 bar abs.
2. Ponto 1 (aspiração): no diagrama, sobe-se até à horizontal de 2,61 bar abs e procura-se onde cruza a isotérmica de 3 °C, à direita da curva de vapor saturado (porque 3 °C é superior à temperatura de saturação de -3,1 °C). Lê-se, na vertical, h₁ ≈ 402 kJ/kg. Na tabela de vapor sobreaquecido: 402,1 kJ/kg.
3. Ponto 2 (descarga): à horizontal de 12,01 bar abs, cruzar com a isotérmica de 72 °C. h₂ ≈ 451 kJ/kg (tabela: 450,9).
4. Os dois pontos ficam no sobreaquecido; a distância horizontal entre eles, 48,8 kJ/kg, é o trabalho de compressão por quilograma de fluido.

Transformações da massa gasosa no diagrama

O que viste nos capítulos 7 e 8 sobre gases perfeitos tem tradução direta no diagrama:

10. A máquina frigorífica: componentes, ciclo e transferências energéticas

O que a máquina faz

A máquina frigorífica de compressão de vapor retira calor de um espaço a baixa temperatura (o espaço a arrefecer) e rejeita-o para um espaço a temperatura mais alta (o ambiente), gastando trabalho no compressor. O fluido frigorigéneo percorre um circuito fechado, mudando de estado ao longo dele, e transporta o calor por onde passa: absorve-o ao ferver a baixa pressão e baixa temperatura, liberta-o ao condensar a alta pressão e alta temperatura.

Componentes e respetivas funções

Válvula de expansão termostática. Tem um bolbo fixado ao tubo de aspiração à saída do evaporador, cheio de um fluido que reage à temperatura de aspiração. Essa pressão empurra a válvula para abrir; a pressão do evaporador e uma mola empurram-na para fechar. Se a aspiração sobreaquecer demasiado, o bolbo "pede" mais líquido; se sobreaquecer pouco, fecha. É um regulador do sobreaquecimento. O seu bom funcionamento depende de o bolbo estar bem fixado, no sítio certo, e isolado.

Tubo capilar. É um tubo muito fino e comprido, de comprimento e diâmetro calculados, que cria uma perda de carga fixa. Não regula: o caudal depende da diferença de pressão e da carga de fluido, por isso o capilar só é adequado para condições de funcionamento pouco variáveis e o equipamento é muito sensível à quantidade de fluido.

O ciclo termodinâmico

O ciclo ideal tem quatro transformações. Pela numeração clássica:

No condensador a transformação 2 para 3 tem três etapas que se distinguem no diagrama e na prática:

1. Redução do sobreaquecimento (desuperheating): o vapor da descarga arrefece até à temperatura de saturação, perdendo calor sensível.
2. Condensação: o vapor passa a líquido a temperatura constante, perdendo calor latente (a maior parcela).
3. Subarrefecimento: o líquido saturado continua a arrefecer, perdendo calor sensível, e sai abaixo da temperatura de saturação.

No evaporador, a transformação 4 para 1 tem duas etapas: a ebulição (a maior parte) e o sobreaquecimento do vapor.

Balanço de energia

Aplicando a conservação da energia (primeiro princípio da termodinâmica) a cada componente, com ṁ o caudal mássico de fluido (kg/s) e h as entalpias dos pontos do ciclo:

• Efeito frigorífico específico: q₀ = h₁ - h₄ (kJ/kg), o calor absorvido por kg no evaporador.
• Potência frigorífica: Q̇₀ = ṁ × (h₁ - h₄).
• Trabalho específico de compressão: w = h₂ - h₁ (kJ/kg).
• Potência de compressão (no fluido): P = ṁ × (h₂ - h₁).
• Calor rejeitado no condensador: Q̇c = ṁ × (h₂ - h₃).
• Balanço global: Q̇c = Q̇₀ + P. O condensador rejeita sempre mais calor do que o evaporador absorve, porque rejeita também o trabalho do compressor.
• Expansão: h₄ = h₃ (isentálpica).

O desempenho mede-se pelo coeficiente de desempenho (COP):

COP = efeito útil / trabalho gasto = (h₁ - h₄) / (h₂ - h₁)

Quanto maior o COP, menos trabalho de compressão se gasta por kW de frio. Atenção: este COP usa o trabalho entregue ao fluido (h₂ - h₁). A razão entre a capacidade frigorífica e a potência elétrica absorvida (a que se chama EER, ou COP do aparelho) é menor, porque inclui as perdas do motor e do compressor. O COP máximo, em teoria, é o do ciclo de Carnot entre as temperaturas de evaporação e condensação (em K):

COP_Carnot = T₀ / (Tc - T₀)

Quanto maior a diferença entre T₀ e Tc, menor o COP. Esta é a razão pela qual "pressão de alta mais alta e pressão de baixa mais baixa" significam sempre mais gasto de energia para o mesmo frio.

Exemplo resolvido completo · Ciclo real do R134a a partir de leituras

Esta é a sequência que vais repetir na oficina e no mini-projeto. Parte de leituras num equipamento de R134a em regime estável.

Leituras:

Passo 1. Pressões absolutas. p₀ = 1,6 + 1,013 = 2,613 bar abs. pc = 11,0 + 1,013 = 12,013 bar abs.

Passo 2. Temperaturas de saturação (pelas tabelas ou pelo manómetro). t₀ = -3,1 °C (evaporação); tc = 46,4 °C (condensação).

Passo 3. Sobreaquecimento e subarrefecimento. SH = 3,0 - (-3,1) = 6,1 K. SC = 46,4 - 38,0 = 8,4 K.

Passo 4. Entalpias dos quatro pontos.

• Ponto 1 (aspiração, 2,61 bar abs, 3,0 °C): h₁ = 402,1 kJ/kg.
• Ponto 2 (descarga, 12,01 bar abs, 72 °C): h₂ = 450,9 kJ/kg.
• Ponto 3 (saída do condensador, líquido a 38 °C): o líquido subarrefecido tem praticamente a entalpia do líquido saturado à sua temperatura. Interpolando na tabela: h(30 °C) = 241,7 e h(40 °C) = 256,4; a 38 °C, h₃ = 241,7 + 0,8 × 14,7 = 253,5 kJ/kg. O cálculo exato dá 253,4, e usaremos 253,4 kJ/kg.
• Ponto 4 (entrada do evaporador): a expansão é isentálpica, logo h₄ = h₃ = 253,4 kJ/kg.

Passo 5. Título à entrada do evaporador. À pressão de 2,61 bar abs, o líquido saturado tem 195,8 kJ/kg e o vapor saturado 396,8 kJ/kg. x₄ = (253,4 - 195,8) / (396,8 - 195,8) = 57,6 / 201,0 = 0,29. Cerca de 29 % do fluido evapora logo na expansão, é o "vapor de expansão" (flash gas), que não produz frio.

Passo 6. Energias específicas.

• Efeito frigorífico: q₀ = h₁ - h₄ = 402,1 - 253,4 = 148,7 kJ/kg.
• Trabalho de compressão: w = h₂ - h₁ = 450,9 - 402,1 = 48,8 kJ/kg.
• Calor rejeitado: qc = h₂ - h₃ = 450,9 - 253,4 = 197,5 kJ/kg. Confirma: 148,7 + 48,8 = 197,5. O balanço fecha.

Passo 7. Divisão do calor no condensador.

• Redução do sobreaquecimento: 450,9 - 422,1 = 28,8 kJ/kg.
• Condensação: 422,1 - 266,0 = 156,1 kJ/kg.
• Subarrefecimento: 266,0 - 253,4 = 12,6 kJ/kg.
• Soma: 28,8 + 156,1 + 12,6 = 197,5 kJ/kg. Fecha.

Passo 8. Caudal e potências para 1,2 kW.

• Caudal mássico: ṁ = Q̇₀ / q₀ = 1,2 / 148,7 = 0,00807 kg/s = 8,07 g/s.
• Potência de compressão no fluido: P = 0,00807 × 48,8 = 0,39 kW.
• Calor rejeitado: Q̇c = 0,00807 × 197,5 = 1,59 kW.
• Volume aspirado (teórico): volume específico à aspiração 0,0797 m³/kg, logo V̇ = 0,00807 × 0,0797 × 3600 = 2,3 m³/h.

Passo 9. Desempenho.

• COP = 148,7 / 48,8 = 3,05.
• COP de Carnot entre -3,1 °C e 46,4 °C: T₀ = 270,05 K; Tc = 319,55 K; COP_C = 270,05 / (319,55 - 270,05) = 5,46. O ciclo real chega a 56 % do ideal.
• Razão de compressão: 12,013 / 2,613 = 4,6.

Passo 10. Rendimento isentrópico da compressão. A compressão ideal (isentrópica) a partir do ponto 1 chegaria a h₂s = 435,0 kJ/kg (a cerca de 57,5 °C). O rendimento isentrópico é (435,0 - 402,1) / (450,9 - 402,1) = 32,9 / 48,8 = 0,67. A diferença para o ideal (72 °C, em vez de 57,5 °C) é o trabalho perdido em atrito e em perdas do motor e do compressor, que vai parar ao fluido sob forma de calor.

Passo 11. Conclusão da oficina. O sobreaquecimento de 6 K e o subarrefecimento de 8 K estão em linha, como ordem de grandeza de oficina (o valor correto é o do fabricante), com um sistema com válvula de expansão termostática em bom estado; o COP de 3,05 e a temperatura de descarga de 72 °C são razoáveis. Este é o ciclo de referência para esta unidade. As anomalias do capítulo 13 são desvios em relação a ele.

Do ciclo ideal ao ciclo real

O ciclo ideal do diagrama é uma simplificação. No equipamento real há desvios que convém ter na cabeça:

1. Perdas de carga nas tubagens, no filtro e nos permutadores: a pressão à saída do evaporador é menor que à entrada, e a descarga do compressor tem mais pressão do que o condensador. O manómetro de serviço está no compressor, e não nos permutadores.
2. Compressão não isentrópica: a entalpia no ponto 2 é maior que no ponto 2s; o compressor gasta mais do que o ideal e a descarga fica mais quente.
3. Sobreaquecimento na aspiração: o ponto 1 está dentro da zona de vapor sobreaquecido, e não sobre a curva do vapor saturado.
4. Subarrefecimento à saída do condensador: o ponto 3 está dentro da zona do líquido subarrefecido, à esquerda da curva do líquido saturado.
5. Trocas de calor com o ambiente nas tubagens (linha de aspiração que ganha calor, linha de descarga que perde).

Cada desvio é visível no diagrama e, se for demasiado grande, indica uma anomalia.

Procedimento de leitura do ciclo na oficina

1. Verificar a segurança. EPI (óculos de proteção e luvas), cabelo e roupa longe dos ventiladores, ventilação do local, nenhum equipamento inflamável por perto. O professor acompanha a ligação ao circuito.
2. Identificar o equipamento e o fluido na placa de características. Escolher a tabela ou o diagrama desse fluido.
3. Registar as condições: temperatura do ar no espaço refrigerado e à entrada do condensador.
4. Ligar o manifold (com as mangueiras evacuadas com bomba de vácuo ou com acoplamentos de baixa perda, nunca purgadas com o fluido do circuito para a atmosfera) às tomadas de serviço, por um técnico habilitado, nos termos da legislação em vigor, ou sob a sua supervisão.
5. Fixar os termómetros de contacto: um no tubo de aspiração, a 10 a 15 cm da saída do evaporador (junto ao bolbo, se houver válvula termostática); um no tubo de descarga, perto do compressor; um na linha de líquido, à saída do condensador. Limpar o tubo, apertar a sonda e isolar.
6. Pôr o equipamento em regime estável: funcionar pelo menos 15 a 20 minutos, com portas fechadas e ventiladores a trabalhar, até as leituras variarem menos de 1 K e 0,1 bar em 5 minutos.
7. Registar as leituras numa folha: hora, p baixa, p alta, as três temperaturas, a corrente do compressor e as temperaturas do ar.
8. Converter e calcular: pressões absolutas, temperaturas de saturação, SH e SC, razão de compressão.
9. Traçar o ciclo no diagrama (ver abaixo) e comparar com o ciclo de referência ou com os valores do fabricante.
10. Desligar pela ordem inversa, fechando as ligações sem libertar fluido para o ambiente, e arrumar o material.

Como traçar o ciclo real no diagrama p-h

1. Na escala vertical, marca as duas pressões absolutas (baixa e alta) e traça duas horizontais.
2. Marca na horizontal de baixa o ponto 1a (vapor saturado, x = 1), onde a horizontal corta a curva da direita. A temperatura lida ali deve ser a de evaporação (confirma com a isotérmica).
3. Desloca-te para a direita, ao longo da horizontal de baixa, até à isotérmica da temperatura de aspiração medida: esse é o ponto 1. A distância entre 1a e 1, em temperatura, é o sobreaquecimento.
4. Na horizontal de alta, marca o ponto 2, no cruzamento com a isotérmica da temperatura de descarga medida.
5. Na horizontal de alta, marca o ponto 3a (líquido saturado, x = 0), onde a horizontal corta a curva da esquerda.
6. Lê, na curva do líquido saturado, a entalpia correspondente à temperatura do líquido medida e sobe na vertical até à horizontal de alta: este é o ponto 3. Sobe-se sempre, porque a pressão de saturação da temperatura do líquido é inferior à de condensação: é nisso que consiste o subarrefecimento. A diferença de temperatura entre 3a e 3 é o subarrefecimento.
7. Do ponto 3 desce na vertical (expansão isentálpica) até à horizontal de baixa: é o ponto 4.
8. Une 1, 2, 2a (vapor saturado de alta), 3a, 3, 4 e 1. O polígono é o ciclo real.
9. Lê os comprimentos horizontais: h₁ - h₄ (efeito frigorífico), h₂ - h₁ (trabalho), h₂ - h₃ (calor rejeitado).
10. Compara com o ciclo de referência.

Dica de leitura. Num diagrama impresso, a incerteza de leitura das entalpias é de 2 a 3 kJ/kg. É suficiente para ver se um desvio é grande, mas não para fingir uma precisão de décimas.

11. Réguas, tabelas e ábacos: relacionar pressões, temperaturas e tipo de fluido

Porque é que estas ferramentas existem

Num circuito com líquido e vapor do mesmo fluido, a pressão de saturação depende só da temperatura e do fluido. Isto significa que um manómetro pode dar a temperatura de evaporação ou de condensação sem que seja preciso meter um termómetro dentro do tubo. Mas essa conversão pressão para temperatura é diferente para cada fluido, e por isso a oficina tem ferramentas que a fazem de imediato.

As ferramentas

Tabela pressão-temperatura de vários fluidos

A tabela dá a pressão relativa de saturação, em bar, ao nível do mar (pressão atmosférica 1,013 bar). Para fluidos de uma só substância ou quase azeotrópicos, é o valor da pressão de saturação. Para o R407C, que tem deslizamento, aparecem os dois valores (bolha e orvalho). Os números negativos são depressões (a pressão absoluta é inferior à atmosférica).

Duas lições que a tabela ensina:

1. Cada fluido trabalha em pressões muito diferentes. A 40 °C de condensação, o R600a tem 4,3 bar e o R410A tem 23,2 bar. O mesmo manómetro e a mesma tubagem não servem para tudo; os componentes e os manómetros têm de ser adequados ao fluido e à pressão máxima de serviço.
2. Alguns fluidos têm pressões quase iguais. O R404A e o R507A diferem menos de 0,7 bar em toda a gama da tabela (e menos de 0,3 bar até aos 10 °C); o R410A e o R32 diferem menos de 0,8 bar (e menos de 0,3 bar até aos 10 °C). Nunca se identifica o fluido pela pressão. A identificação faz-se pela placa de características do equipamento e pela etiqueta da botija.

Três dos fluidos da tabela são inflamáveis: o R290 e o R600a, que são hidrocarbonetos muito inflamáveis, e o R32, que também é inflamável. Os procedimentos de trabalho (ventilação, fontes de ignição, quantidade de carga, ferramentas) são diferentes e estão indicados nos manuais do fabricante e na formação específica. Os dados de classificação de segurança de cada fluido estão na ficha de dados de segurança e na etiqueta.

Como ler o manómetro, passo a passo

1. Olhar de frente para o mostrador para evitar erros de paralaxe.
2. Verificar o zero: com o manómetro aberto à atmosfera, o ponteiro deve estar em 0. Se não estiver, corrige-se pelo parafuso de ajuste, quando o instrumento o tem.
3. Identificar a escala de pressão (bar, psi, kPa) e a escala de temperatura do fluido que estás a usar.
4. Ler a pressão com a precisão da divisão (por exemplo, 0,1 bar).
5. Se o manómetro for manómetro composto (baixa pressão), a parte negativa da escala é a depressão (vácuo).
6. Ler a temperatura de saturação no anel do fluido, ou calcular pela tabela depois de converter para absoluto, se a tabela for absoluta.
7. Para fluidos com deslizamento, usar orvalho na baixa e bolha na alta.

Incerteza de leitura: quanto vale 0,1 bar?

A relação entre pressão e temperatura de saturação não é linear, e a mesma incerteza de pressão traduz-se em incertezas de temperatura diferentes na baixa e na alta. Para o R134a:

• Na baixa (cerca de -3 °C): 1 K corresponde a cerca de 0,097 bar. Um erro de 0,1 bar equivale a cerca de 1 K.
• Na alta (cerca de 46 °C): 1 K corresponde a cerca de 0,31 bar. Um erro de 0,1 bar equivale a cerca de 0,3 K.

Conclusão: na baixa pressão, um erro de leitura do manómetro propaga-se ao sobreaquecimento com todo o seu peso. Se o sobreaquecimento esperado é de 6 K, um erro de 0,2 bar na leitura da baixa é um erro de 2 K, ou seja, de um terço. Por isso, para calcular o sobreaquecimento com rigor usam-se manómetros de boa escala e, de preferência, um sensor digital.

Exemplo resolvido · Duas leituras, dois fluidos

Um equipamento de R290 marca 2,4 bar (relativos) na baixa. Outro, de R410A, marca 4,7 bar (relativos). Que temperaturas de evaporação correspondem?

1. Na tabela, a coluna R290 mostra 2,4 bar a -10 °C.
2. A coluna R410A mostra 4,7 bar também a -10 °C.
3. Dois fluidos diferentes, pressões diferentes na mesma temperatura de -10 °C (2,4 bar contra 4,7 bar). Se se lesse o R410A na coluna do R290, 4,7 bar daria cerca de 6 °C no R290, um erro de 16 K por engano de coluna.
4. Regra: a ferramenta está certa quando o fluido da ferramenta é o fluido do equipamento.

Exemplo resolvido · Converter e consultar

Um manómetro de alta de um equipamento de R134a marca 145 psi (relativos). Que temperatura de condensação é?

1. 145 psi × 0,06895 = 10,0 bar relativos.
2. Na tabela: 9,2 bar a 40 °C e 12,2 bar a 50 °C. Interpolando: (10,0 - 9,2) / (12,2 - 9,2) = 0,27; temperatura = 40 + 0,27 × 10 = 42,7 °C (a tabela exata dá 43,0 °C a 10,0 bar; a diferença vem da interpolação linear numa curva).

12. Sobreaquecimento e subarrefecimento

Definições

Sobreaquecimento (SH) é a diferença entre a temperatura do vapor medida e a temperatura de saturação (de evaporação) correspondente à pressão nesse ponto:

SH = t_aspiração - t₀

Subarrefecimento (SC) é a diferença entre a temperatura de saturação (de condensação) e a temperatura do líquido medida:

SC = t_c - t_líquido

Ambos se exprimem em kelvin (K), porque são diferenças. Em muita literatura em português, o sobreaquecimento aparece como SA e o subarrefecimento como SR; são as mesmas grandezas. O sobreaquecimento só existe depois de o último pingo de líquido ter evaporado; o subarrefecimento só existe depois de o último bocado de vapor ter condensado. No diagrama de Mollier, o SH é a distância horizontal do ponto 1 para a direita da curva do vapor saturado, e o SC a distância horizontal do ponto 3 para a esquerda da curva do líquido saturado.

Para que servem

Cada kelvin de subarrefecimento aumenta o efeito frigorífico em cerca de 1,5 kJ/kg (o calor específico do líquido), cerca de 1 % no exemplo do capítulo 10. É uma maneira barata de ganhar capacidade, mas só até aos limites que o fabricante define.

Valores de referência

Os valores corretos são sempre os do fabricante do equipamento. Como ordem de grandeza de oficina, em sistemas de válvula de expansão termostática, o sobreaquecimento anda em geral pelos 5 a 8 K e o subarrefecimento pelos 4 a 10 K. Em sistemas de tubo capilar, o sobreaquecimento varia mais com as condições de funcionamento e o equipamento é muito sensível à carga, razão pela qual o fabricante indica a massa de fluido (em gramas, na placa) que se pesa na balança de carga.

Para o R744 (CO₂) em regime transcrítico, no lado de alta não há condensação e por isso não se define subarrefecimento do mesmo modo; os valores são os do fabricante.

Sobreaquecimento "útil" e sobreaquecimento "total"

• Sobreaquecimento do evaporador (ou útil): medido no bolbo da válvula de expansão, à saída do evaporador. É o que a válvula regula.
• Sobreaquecimento total: medido na entrada do compressor, a seguir a metros de tubagem que ganhou calor do ambiente. É sempre igual ou maior que o do evaporador.

Para diagnosticar a válvula e o evaporador, mede-se junto ao bolbo. Para proteger o compressor, importa o total. Quando fores comparar leituras, escreve sempre onde mediste.

Procedimento para medir SH e SC

Sobreaquecimento

1. Com o equipamento em regime estável, lê a pressão de baixa no manómetro de baixa e converte para temperatura de saturação (orvalho, se houver deslizamento).
2. Coloca o termómetro de contacto no tubo de aspiração, a 10 a 15 cm da saída do evaporador (ou junto ao bolbo), com o tubo limpo, e isola a sonda.
3. Espera que a leitura estabilize (2 a 3 minutos).
4. SH = temperatura medida - temperatura de saturação.

Subarrefecimento

1. Lê a pressão de alta e converte para temperatura de saturação (bolha, se houver deslizamento).
2. Coloca o termómetro na linha de líquido, a 10 a 15 cm da saída do condensador (ou do recipiente), isolado.
3. SC = temperatura de saturação - temperatura medida.

Exemplos resolvidos

Exemplo resolvido · SH e SC de um equipamento em regime

R134a; baixa = 1,6 bar (relativos); alta = 11,0 bar (relativos); aspiração = 3,0 °C; líquido = 38,0 °C.

1. Saturação na baixa: 1,6 + 1,013 = 2,613 bar abs corresponde a -3,1 °C. SH = 3,0 - (-3,1) = 6,1 K.
2. Saturação na alta: 11,0 + 1,013 = 12,013 bar abs corresponde a 46,4 °C. SC = 46,4 - 38,0 = 8,4 K.
3. Ambos dentro da ordem de grandeza de oficina de um sistema com válvula termostática (o valor correto é o do fabricante).

Exemplo resolvido · SH alto e ajuste da válvula

R134a; baixa = 1,0 bar (relativos); aspiração = 5,0 °C.

1. Saturação a 1,0 bar relativos: -9,9 °C. SH = 5,0 - (-9,9) = 14,9 K. Está muito acima da ordem de grandeza de 5 a 8 K (valor do fabricante a confirmar).
2. Antes de mexer na válvula, descarta as causas externas: filtro secador obstruído, falta de fluido (bolhas no visor), bolbo mal fixado ou sem isolamento.
3. Se tudo estiver bem, a válvula está a dar pouco fluido. Roda o parafuso de regulação no sentido que abre a válvula (o sentido está no manual do fabricante), um quarto de volta.
4. Espera 10 a 15 minutos pela estabilização (a válvula é lenta) e lê de novo. Repete se for preciso, nunca mais do que um quarto de volta de cada vez.
5. Objetivo: SH dentro da ordem de grandeza de 5 a 8 K, ou o valor do fabricante, sem oscilações grandes. Se o sobreaquecimento oscilar (ciclos de abertura e fecho da válvula, "hunting"), o ajuste ficou demasiado aberto ou a válvula está mal dimensionada.

Exemplo resolvido · SC alto

R134a; alta = 12,0 bar (relativos); líquido = 41 °C.

1. Saturação a 12,0 bar relativos (13,013 bar abs): 49,5 °C. SC = 49,5 - 41 = 8,5 K.
2. Dentro do normal. Se fosse 18 K ou mais, pensa em excesso de fluido (condensador cheio de líquido) ou restrição depois do condensador.

Exemplo resolvido · A importância de onde se mede

O mesmo equipamento do primeiro exemplo tem a aspiração a 3,0 °C junto ao bolbo e a 9,0 °C na entrada do compressor, a 2 m. O SH do evaporador é 6,1 K e o SH total é 9 - (-3,1) = 12,1 K. Os 6 K de diferença são calor ganho pela tubagem de aspiração (porque o isolamento é mau ou está em falta). Isto aumenta o volume específico do vapor e a temperatura de descarga, e reduz a massa de fluido aspirada por ciclo. A solução é isolar a linha de aspiração.

13. Anomalias de funcionamento e medidas corretivas

O método de diagnóstico

Diagnosticar uma máquina frigorífica não é adivinhar. É uma sequência, e cada passo corta possibilidades:

1. Ouvir o sintoma. O que se queixa o cliente? Pouco frio, frio demais, gelo, ruído, compressor que dispara, consumo alto? Anota-o com as palavras dele.
2. Verificar o óbvio antes de ligar os manómetros. Tensão de alimentação, termóstato regulado, ventiladores a rodar (nos dois permutadores), filtros de ar limpos, portas e vedantes, evaporador sem gelo, condensador sem sujidade, linha de aspiração sem isolamento rasgado. Uma parte considerável das avarias resolve-se aqui.
3. Obter o regime estável (15 a 20 minutos) e medir: p baixa, p alta, temperatura de aspiração, de descarga e do líquido, temperaturas do ar nos dois permutadores e corrente do compressor.
4. Calcular: temperaturas de saturação, SH, SC, razão de compressão, diferenças de temperatura no ar.
5. Comparar com o ciclo de referência (ou com os dados do fabricante).
6. Formular uma hipótese pela tabela de sintomas e testá-la com uma medição que a confirme ou a exclua (por exemplo, a diferença de temperatura num filtro, ou o teste de equilíbrio).
7. Aplicar a medida corretiva pelo procedimento seguro.
8. Verificar o resultado: repetir as leituras em regime e comprovar que voltaram ao normal.

A regra de ouro: uma leitura sozinha não diagnostica nada. A pressão de baixa baixa pode ser falta de fluido, filtro obstruído ou evaporador gelado; é o conjunto da pressão de alta, do SH, do SC e da corrente que separa as hipóteses.

O ciclo de referência desta unidade

Matriz de sintomas

Setas: ↓ baixo, ↑ alto, ↑↑ muito alto, "normal" próximo do ciclo de referência.

Caso A · Falta de fluido

Leituras (R134a): baixa 0,5 bar rel.; alta 8,5 bar rel.; aspiração 4 °C; líquido 36 °C; descarga 78 °C; corrente a 80 % da nominal; bolhas no visor de líquido.

1. Saturações: 0,5 bar relativos corresponde a t₀ = -16,9 °C; 8,5 bar relativos corresponde a tc = 37,5 °C.
2. SH = 4 - (-16,9) = 20,9 K (muito alto). SC = 37,5 - 36 = 1,5 K (quase nulo).
3. Razão de compressão: 9,513 / 1,513 = 6,3 (contra 4,6 no normal).
4. Interpretação: o evaporador está mal alimentado (o fluido ferve cedo e o resto do evaporador só sobreaquece vapor: SH alto), o condensador tem pouco líquido a acumular (SC quase zero), a pressão de alta é baixa e a corrente também. As bolhas no visor confirmam.
5. Medida corretiva: procurar a fuga, nunca simplesmente "atestar". Com detetor eletrónico de fugas, solução de espuma nas uniões e ao longo do tubo; reparar; ensaio de estanquidade com azoto seco e redutor de pressão (nunca ar comprimido nem oxigénio) à pressão indicada pelo fabricante ou pela norma aplicável; vácuo; carga pesada na balança com a massa indicada na placa; novo regime estável e novo registo.

Caso B · Condensador sujo ou ventilador do condensador com fraco caudal

Leituras (R134a, ar a 30 °C): baixa 1,9 bar rel.; alta 14,0 bar rel.; aspiração 5 °C; líquido 47 °C; descarga 92 °C; corrente a 115 %.

1. Saturações: 1,9 bar relativos corresponde a t₀ = -0,1 °C; 14,0 bar relativos corresponde a tc = 55,3 °C.
2. SH = 5 - (-0,1) = 5,1 K (normal). SC = 55,3 - 47 = 8,3 K (normal).
3. Diferença de temperatura no condensador: 55,3 - 30 = 25,3 K (no normal: 46,4 - 30 = 16,4 K).
4. Razão de compressão: 15,013 / 2,913 = 5,2.
5. Interpretação: SH e SC normais dizem que a carga está certa e que a válvula alimenta bem. O que subiu foi a diferença de temperatura no condensador: o permutador troca mal (U×A caiu). Corrente e temperatura de descarga sobem em consequência.
6. Medida corretiva: desligar e isolar a alimentação (bloqueio elétrico), limpar as alhetas (escova macia e jato de ar ou de água a baixa pressão, no sentido contrário ao do fluxo, sem amachucar as alhetas), verificar o ventilador (rotação, sentido, condensador de arranque, hélice), verificar se há recirculação de ar quente para a entrada. Repetir as leituras: a pressão de alta deve regressar a valores próximos de 11 bar.

Caso C · Filtro secador obstruído (restrição na linha de líquido)

Leituras (R134a): baixa 0,6 bar rel.; alta 10,0 bar rel.; aspiração 6 °C; temperatura do tubo antes do filtro 33 °C e depois 24 °C; corrente a 85 %.

1. Saturações: 0,6 bar relativos corresponde a t₀ = -15,4 °C; 10,0 bar relativos corresponde a tc = 43,0 °C.
2. SH = 6 - (-15,4) = 21,4 K (muito alto).
3. SC antes do filtro = 43,0 - 33 = 10,0 K (um pouco alto, porque o líquido se acumula atrás da restrição).
4. Queda de temperatura no filtro = 33 - 24 = 9 K.
5. Interpretação: o sintoma tem a cara da falta de fluido (baixa baixa, SH alto), mas o SC não é nulo e há uma queda de temperatura entre os dois lados do filtro. Em vez de fuga, a restrição é o suspeito. Nota: um tubo que fica "gelado" ou com geada depois do filtro confirma.
6. Medida corretiva: recuperar o fluido com equipamento de recuperação, substituir o filtro secador (soldar com circulação de azoto para evitar óxidos), fazer vácuo, recarregar com a massa da placa e verificar em regime. Se o problema foi humidade (gelo no ponto de expansão), acrescenta-se a causa: tubagem aberta muito tempo, vácuo insuficiente, óleo húmido.

Caso D · Excesso de fluido

Leituras (R134a): baixa 1,9 bar rel.; alta 13,5 bar rel.; aspiração 3 °C; líquido 36 °C; corrente a 110 %.

1. Saturações: 1,9 bar relativos corresponde a t₀ = -0,1 °C; 13,5 bar relativos corresponde a tc = 53,9 °C.
2. SH = 3 - (-0,1) = 3,1 K (baixo). SC = 53,9 - 36 = 17,9 K (muito alto).
3. Interpretação: o condensador está parcialmente cheio de líquido (menos superfície para condensar, mais pressão de alta). O SC enorme é a marca. O SH baixo traz risco de líquido no compressor.
4. Medida corretiva: recuperar fluido até o SC e a pressão de alta voltarem ao normal, pesando o fluido retirado. Em equipamentos de capilar, repesar a carga completa: recuperar tudo, fazer vácuo e carregar com a massa da placa.

Caso E · Compressor com baixo rendimento (válvulas ou segmentos gastos)

Leituras (R134a): baixa 2,8 bar rel.; alta 8,5 bar rel.; aspiração 13,5 °C; líquido 33 °C; corrente a 70 %; pouco frio.

1. Saturações: 2,8 bar relativos corresponde a t₀ = 7,5 °C; 8,5 bar relativos corresponde a tc = 37,5 °C.
2. SH = 13,5 - 7,5 = 6,0 K. SC = 37,5 - 33 = 4,5 K.
3. Razão de compressão: 9,513 / 3,813 = 2,5 (contra 4,6).
4. Interpretação: o compressor não consegue criar a diferença de pressão. As pressões tendem a igualar-se (a baixa sobe, a alta desce) e a corrente é baixa. SH e SC normais afastam problemas de carga e de válvula.
5. Teste de bombeamento: com o equipamento a trabalhar, fecha a válvula de aspiração (ou isola a baixa) e vê quanto desce a baixa; um compressor são desce a depressão em pouco tempo e mantém-na quando paras; se não desce, ou sobe depressa depois de parar, as válvulas de lâminas deixam passar. A manobra é curta, o tempo que o professor indicar: um compressor hermético não deve trabalhar em vácuo prolongado, que pode danificar o isolamento do motor e aquecê-lo. A confirmar pelo professor, que acompanha a manobra.
6. Medida corretiva: substituição do compressor, depois de se determinar a causa (falta de óleo, golpe de líquido, sobreaquecimento) para que o novo não tenha o mesmo destino, e de limpar o circuito se o óleo estiver contaminado.

Caso F · Evaporador gelado ou ventilador do evaporador parado

Leituras (R134a, equipamento com tubo capilar): baixa 0,6 bar rel.; alta 9,0 bar rel.; aspiração -14 °C; líquido 34 °C; gelo em todo o evaporador; ventilador do evaporador sem rodar.

1. Saturações: 0,6 bar relativos corresponde a t₀ = -15,4 °C; 9,0 bar relativos corresponde a tc = 39,4 °C.
2. SH = -14 - (-15,4) = 1,4 K (quase zero). SC = 39,4 - 34 = 5,4 K.
3. Interpretação: com pouco caudal de ar (ou gelo a isolar), o evaporador recebe pouco calor. O fluido não consegue evaporar todo, e, num equipamento com tubo capilar como este, o SH cai para perto de zero. Com válvula de expansão termostática, esta fecha para manter o sobreaquecimento, e o SH tende a manter-se perto do valor regulado ou a oscilar; os sinais são então a baixa e a corrente a descer e o gelo no evaporador. A pressão de baixa cai porque o compressor aspira mais do que o evaporador produz. Perigo: líquido a chegar ao compressor.
4. Medida corretiva: parar o compressor, descongelar (ventilador a trabalhar com o compressor parado, ou degelo elétrico), repor o ventilador (motor, hélice, condensador de arranque) e verificar o sistema de degelo (resistência, termóstato de fim de degelo, temporizador). Registar a causa do gelo (porta mal fechada, vedante, humidade) para evitar a repetição.

Caso G · Ar (não condensáveis) no circuito

Leituras (R134a): equipamento parado há 8 horas num local a 28 °C; o manómetro de alta marca 7,4 bar rel. Em regime: alta 13,0 bar rel., linha de líquido a 38 °C.

1. Teste de equilíbrio: com o circuito parado há horas, todo o fluido está à temperatura ambiente. A pressão de saturação a 28 °C é de 6,3 bar relativos. Marca 7,4 bar, ou seja, 1,1 bar a mais do que o fluido explica.
2. Em regime: 13,0 bar corresponde a tc = 52,5 °C. SC aparente = 52,5 - 38 = 14,5 K, que parece um excesso de fluido mas é um engano: o ar ocupa a parte alta do condensador e eleva a pressão total (lei de Dalton). O subarrefecimento real não aumenta; só o calculado.
3. Interpretação: a diferença entre a pressão lida e a de saturação à temperatura medida é a pressão parcial do ar.
4. Medida corretiva: recuperar o fluido, fazer vácuo e recarregar com a massa da placa. Não se "sangra" o circuito para a atmosfera. Procurar de onde entrou o ar: fuga no lado de baixa quando a pressão é inferior à atmosférica, vácuo mal feito, mangueiras ligadas sem terem sido evacuadas (as mangueiras evacuam-se com bomba de vácuo, ou usam-se acoplamentos de baixa perda; nunca se expulsa o ar largando fluido do circuito para a atmosfera).

Válvula de expansão: subalimentada e sobrealimentada

• Subalimentada: SH muito alto, pressão de baixa baixa, evaporador "seco" na parte final. Causas: filtro de entrada da válvula obstruído, bolbo com perda de carga (fuga do elemento termostático), ajuste fechado, líquido insuficiente (falta de fluido ou pouco SC). Corretiva: limpar ou substituir a válvula, reajustar o SH.
• Sobrealimentada: SH perto de zero, pressão de baixa alta, tubo de aspiração frio e húmido, risco de golpe de líquido. Causas: bolbo mal fixado ou sem contacto, sem isolamento (apanha o ar quente da vizinhança e lê mais do que a realidade), ou ajuste demasiado aberto. Corretiva: refixar o bolbo na posição correta (nas 4 ou 8 horas do tubo horizontal, conforme o fabricante), isolar, reajustar.

Medidas corretivas: regras de segurança que se mantêm sempre

• A intervenção no circuito frigorífico, que implica abrir o circuito ou manusear o fluido, é feita por técnico habilitado nos termos da legislação em vigor, ou na oficina da escola sob a supervisão do professor.
• Antes de abrir qualquer ligação: recuperar o fluido, confirmar a pressão zero e ventilar o local.
• Brasagem: com circulação de azoto no interior do tubo e extintor à mão; nunca em tubos com fluido inflamável por perto.
• Ensaio de pressão: só com azoto seco, regulador de pressão e válvula de segurança; nunca ar comprimido nem oxigénio (risco de explosão com óleo).
• Equipamento elétrico: desligar e bloquear a alimentação antes de mexer nos permutadores e ventiladores, e descarregar os condensadores de arranque.
• Ambiente: o fluido recuperado vai para botija própria, encaminhada nos termos da legislação em vigor. Nada de ventilar para o ar.

Tabela síntese: do sintoma à medida

Erros comuns

• Ler a pressão do manómetro como se fosse absoluta nas fórmulas dos gases e nas tabelas de saturação. O manómetro marca bar relativos; soma sempre 1,013 bar antes de usar uma tabela absoluta ou a equação dos gases.
• Usar graus Celsius na lei dos gases. As fórmulas pedem kelvin. Esquecer os 273 muda o resultado por completo.
• Confundir temperatura com calor e kW com kWh. A temperatura é um nível; o calor é energia em trânsito; o kW é potência e o kWh é energia.
• Usar a tabela ou o anel do manómetro de outro fluido, e obter erros de dezenas de kelvin na temperatura de saturação.
• Identificar o fluido pela pressão. Há fluidos com pressões quase iguais (R404A e R507A; R410A e R32). A placa de características e a etiqueta é que dizem o fluido.
• Calcular o sobreaquecimento com a temperatura de saturação do lado errado num fluido zeotrópico: o orvalho é para a baixa, a bolha é para a alta.
• Medir a temperatura do tubo sem contacto firme nem isolamento, ou com termómetro de infravermelhos num tubo de cobre brilhante, e obter um sobreaquecimento falso.
• Medir antes de o equipamento estar em regime estável. Os primeiros minutos têm pressões e temperaturas a variar.
• Ignorar o erro do manómetro na baixa pressão: 0,1 bar vale cerca de 1 K no R134a.
• Dizer "a pressão de baixa está baixa, falta fluido" sem olhar para o SC, o SH, a pressão de alta e a corrente. Filtro obstruído, evaporador gelado e válvula subalimentada dão a mesma baixa.
• Atestar sem procurar a fuga. Acrescentar fluido a um circuito que perde só adia a avaria e liberta fluido para o ambiente.
• Misturar fluidos no mesmo circuito, ou carregar uma mistura zeotrópica em fase de vapor.
• Traçar o ciclo no diagrama com pressões relativas e obter entalpias erradas.
• Esquecer a válvula de expansão como dispositivo isentálpico: a expansão desce na vertical, não na diagonal.
• Ensaiar a pressão com ar comprimido ou oxigénio em vez de azoto seco.
• Abrir uma ligação com o circuito ainda em pressão, ou sem EPI.

Glossário

• Absoluta (pressão): pressão medida a partir do vácuo perfeito. Pressão relativa + pressão atmosférica.
• Adiabática (transformação): sem troca de calor com o exterior.
• Azeotrópica (mistura): mistura que ferve e condensa a temperatura constante, como um fluido puro.
• Bar: unidade de pressão: 100 000 Pa.
• Calor: energia transferida entre corpos por diferença de temperatura.
• Calor específico (c): calor necessário para elevar 1 K a temperatura de 1 kg de uma substância.
• Calor latente (L): calor necessário para mudar o estado de 1 kg sem mudar a temperatura.
• Calor sensível: calor que faz variar a temperatura sem mudar o estado.
• Condensação: passagem de vapor a líquido, com libertação de calor.
• Condução: transmissão de calor através de um corpo, de molécula para molécula.
• Convecção: transmissão de calor entre uma superfície e um fluido em movimento.
• COP: coeficiente de desempenho, razão entre o efeito útil e o trabalho gasto.
• Curva de saturação: limite do "sino" no diagrama p-h, entre as zonas de líquido, mistura e vapor.
• Deslizamento (glide): diferença entre a temperatura de orvalho e a de bolha numa mistura, à mesma pressão.
• Diagrama de Mollier: diagrama p-h, pressão (escala logarítmica) em função da entalpia.
• Entalpia (h): energia térmica por kg de fluido, em kJ/kg.
• Evaporação / ebulição: passagem de líquido a vapor, com absorção de calor.
• Fator de compressibilidade (Z): razão entre o volume do gás real e o do gás perfeito.
• Gás perfeito: modelo de gás sem forças intermoleculares nem volume próprio.
• Isentálpica: transformação a entalpia constante, como a expansão na válvula.
• Isentrópica: transformação a entropia constante, a compressão ideal.
• Isobárica: a pressão constante. Isotérmica: a temperatura constante. Isovolúmica: a volume constante.
• Kelvin (K): unidade SI de temperatura; 0 K é o zero absoluto.
• Manifold: conjunto de manómetros e válvulas para ligar ao circuito frigorífico.
• Ponto crítico: temperatura e pressão acima das quais não há distinção entre líquido e vapor.
• Ponto de bolha: temperatura a que o líquido começa a ferver, à pressão considerada.
• Ponto de orvalho: temperatura a que o vapor começa a condensar, à pressão considerada.
• Pressão: força por unidade de área, em pascal.
• Pressão de saturação: pressão do vapor em equilíbrio com o líquido, que só depende da temperatura.
• Radiação: transmissão de calor por ondas eletromagnéticas.
• Razão de compressão: quociente entre a pressão absoluta de descarga e a de aspiração.
• Subarrefecimento (SC): diferença entre a temperatura de condensação e a do líquido.
• Sobreaquecimento (SH): diferença entre a temperatura do vapor e a de evaporação.
• Título de vapor (x): fração mássica de vapor numa mistura líquido-vapor.
• Válvula de expansão termostática: dispositivo que doseia o líquido ao evaporador regulando o sobreaquecimento.
• Zeotrópica (mistura): mistura em que líquido e vapor têm composições diferentes, de que resulta um deslizamento de temperatura entre o ponto de bolha e o de orvalho.

Síntese

A termodinâmica da máquina frigorífica pode resumir-se numa cadeia de ideias. As grandezas (força, pressão, temperatura, energia) têm unidades SI e conversões que se fazem pelo método do fator igual a 1, sempre com atenção à pressão absoluta e relativa e à temperatura em kelvin. A matéria nos três estados muda de fase absorvendo ou libertando calor latente, e num circuito com líquido e vapor, a pressão e a temperatura estão ligadas: cada fluido tem a sua tabela e a sua escala no manómetro. O calor transmite-se por condução, convecção e radiação, e a máquina frigorífica gasta trabalho para o bombear do espaço frio para o ambiente quente. O calor sensível (Q = m c ΔT) altera a temperatura; o latente (Q = m L) altera o estado, e é ele o motor da refrigeração. Os gases perfeitos obedecem a pV = nRT (com p absoluta e T em kelvin) e às transformações isotérmica, isobárica e isovolúmica, mas o vapor dos fluidos frigorigéneos desvia-se do modelo perto da condensação, por isso usam-se tabelas e o diagrama. O ponto crítico limita a condensação; as misturas azeotrópicas comportam-se como fluidos puros e as zeotrópicas têm deslizamento, o que obriga a ler orvalho na baixa e bolha na alta. No diagrama de Mollier, o ciclo é um polígono de quatro lados: compressão (para a direita, a subir), condensação (horizontal, para a esquerda), expansão (vertical, a descer) e evaporação (horizontal, para a direita); os comprimentos horizontais dão o efeito frigorífico, o trabalho e o calor rejeitado, e daí saem o caudal, as potências e o COP. Com cinco leituras (p baixa, p alta, temperaturas de aspiração, descarga e líquido) traças o ciclo real, calculas SH e SC e, por comparação com o ciclo de referência, identificas as anomalias: falta ou excesso de fluido, condensador sujo, filtro obstruído, compressor ineficiente, evaporador gelado, ar no circuito e válvula mal alimentada. Cada uma tem a sua assinatura nas leituras e a sua medida corretiva, aplicada sempre com a segurança e o ambiente integrados no procedimento.

Exercícios resolvidos

1. Um manómetro de alta marca 16 bar (relativos). Escreve a pressão em bar absolutos, em kPa absolutos e em psi (relativos).

Resolução: absoluta = 16 + 1,013 = 17,01 bar abs; em kPa: 17,013 × 100 = 1701 kPa abs; em psi relativos: 16 × 14,504 = 232 psi (pressão relativa).

2. Um êmbolo de uma válvula tem 25 mm de diâmetro e está sujeito a 9,0 bar (relativos) de um lado e à atmosfera do outro. Que força resulta?

Resolução: A = π d² / 4 = π × 0,025² / 4 = 4,91 × 10⁻⁴ m². A pressão relativa 9,0 bar = 900 000 Pa. F = p × A = 900 000 × 4,91 × 10⁻⁴ = 442 N, o peso de cerca de 45 kg.

3. Um aparelho de ar condicionado tem 24 000 BTU/h de capacidade. Quantos kW são? E quantas TR?

Resolução: 24 000 × 0,29307 = 7034 W = 7,03 kW. Em TR: 24 000 / 12 000 = 2 TR (e 2 × 3,517 = 7,03 kW, a confirmação).

4. O vacuómetro marca 300 mícrons. Quanto é em pascal?

Resolução: 300 × 0,1333 = 40 Pa absolutos (0,0004 bar). O valor a atingir é o indicado pelo fabricante do equipamento; este é um vácuo profundo, muito abaixo dos 6,5 kPa do exemplo do capítulo 2.

5. Uma tubagem é posta a 10,0 bar (relativos) com azoto, a 25 °C. Durante a noite, a temperatura desce para 10 °C. Sem fuga, que pressão marca o manómetro de manhã?

Resolução: isovolúmica. p₁ = 10,0 + 1,013 = 11,013 bar abs; T₁ = 298,15 K; T₂ = 283,15 K. p₂ = 11,013 × 283,15 / 298,15 = 10,46 bar abs, ou seja, 9,4 bar relativos. A pressão desceu 0,55 bar sem qualquer fuga, só pelo arrefecimento.

6. Quanto calor é preciso retirar a 80 kg de produto (c = 3,5 kJ/(kg·K)) para o arrefecer de 20 °C a 4 °C? Se a máquina fornecer 2,0 kW de capacidade útil, quanto demora?

Resolução: Q = m c ΔT = 80 × 3,5 × 16 = 4480 kJ. t = 4480 / 2,0 = 2240 s ≈ 37 minutos, no mínimo teórico.

7. Uma instalação de R134a evapora a -10 °C e precisa de absorver 5,0 kW. Que caudal de fluido tem de evaporar, considerando só o calor latente?

Resolução: o calor latente a -10 °C é 206 kJ/kg. ṁ = 5,0 / 206 = 0,0243 kg/s = 87 kg/h. Na prática o caudal é maior, porque parte do fluido evapora na expansão e não produz frio.

8. R134a: baixa 2,0 bar (relativos); alta 9,5 bar (relativos); aspiração 6,8 °C; líquido 35 °C. Calcula o SH e o SC.

Resolução: 2,0 bar relativos corresponde a t₀ = 0,8 °C, logo SH = 6,8 - 0,8 = 6,0 K. 9,5 bar relativos corresponde a tc = 41,3 °C, logo SC = 41,3 - 35 = 6,3 K. Ambos normais.

9. R134a: baixa 1,9 bar rel.; alta 14,5 bar rel.; aspiração 5 °C; líquido 48 °C; corrente alta e descarga muito quente. Qual é o diagnóstico?

Resolução: t₀ = -0,1 °C, tc = 56,6 °C. SH = 5 - (-0,1) = 5,1 K (normal). SC = 56,6 - 48 = 8,6 K (normal). Com SH e SC normais, a carga e a válvula estão bem; a pressão de alta elevada, a corrente alta e a descarga quente apontam para condensador sujo ou ventilador fraco. Verifica-se a limpeza das alhetas e o ventilador, depois de desligar e bloquear a alimentação.

10. Com h₁ = 400 kJ/kg, h₂ = 440 kJ/kg e h₃ = 245 kJ/kg, calcula o efeito frigorífico, o trabalho, o calor rejeitado e o COP.

Resolução: h₄ = h₃ = 245 (expansão isentálpica). q₀ = 400 - 245 = 155 kJ/kg. w = 440 - 400 = 40 kJ/kg. qc = 440 - 245 = 195 kJ/kg (= 155 + 40). COP = 155 / 40 = 3,9.