Ar Condicionado Automotivo I

Por | 4 de julho de 2016

1 – INTRODUÇÃO
A maioria das unidades de condicionamento de ar está associada a aplicações de conforto. Sistemas para resfriamento de ar durante o verão tornaram-se obrigatórios em edifícios de grande porte no mundo inteiro, mesmo em regiões em que as temperaturas não são elevadas. Edifícios são resfriados para compensar o calor gerado pôr pessoas, iluminação e equipamentos. Em regiões de temperaturas elevadas, o condicionamento do ar pode contribuir, por exemplo, para o aumento da produtividade no trabalho.

Em veículos, o ar refrigerado é utilizado para compensar o aumento de temperatura pela radiação solar. O sistema de climatização contribui de forma determinante para o conforto e bem estar dos ocupantes, o que é uma condição importante para a segurança da direção.

Uma situação particular que se está tornando o ar condicionado um item essencial é no que diz respeito a violência urbana. A população cada fez mais se fecha com receio a assaltos, em casa e nas ruas. Somente nos veículos com sistema de Ar Condicionado, o usuário terá esta tranquilidade de se fechar com a condição de conforto.


2 – HISTÓRICO
A primeira e mais comum das “substâncias frias” utilizadas para remover calor foi o gelo, ou neve. Os chineses foram os primeiros a aprender que o gelo tornava as bebi¬das mais frias e saborosas. Nos tempos dos gregos e romanos, escravos eram usados para apanhar a neve no topo das montanhas a qual era armazenada em buracos na terra, para ser usada posteriormente na confecção (produção) de guloseimas geladas. Estas práticas atingiram a Europa com avanço da civilização, e na França, durante o séc. XVI gelo e neve foram usados para resfriar bebidas e os pratos congelados que se tornaram populares.

Francis Bacon, em 1626, foi o primeiro a pensar em refrigeração para conservar alimentos. Ele realizou uma experiência com uma galinha enterrada na neve para ver se isto a preservava; mas apenas com a invenção do MICROSCÓPIO em 1863 que resultados satisfatórios foram obtidos. Com o microscópio os cientistas estudaram as bactérias, enzimas e fungos. Eles descobriram que estes organismos microscópios se multiplicam com o calor, porém, pareciam hibernar em temperaturas abaixo de 10oC negativos. Temperaturas mais baixas não eliminam microrganismos, mas sim controlam o seu crescimento. Então pela primeira vez o alimento pôde ser mantido em seu estado natural pelo uso do frio.

A descoberta do ciclo de refrigeração e desenvolvimento da máquina frigorífica abriu o caminho para o uso prático do ar condicionado. O que pode ser considerado como o primeiro equipa¬mento de ar condicionado foi criado e patenteado em 1897 pôr Joseph McCreaty (U.S.A.). Seu sistema foi denominado lavador de ar (um sistema de resfriamento baseado no borrifamento de água). O Dr. Willis Haviland Carrier (U.S.A.) pode ser considerado o primeiro a conseguir o controle de temperatura e umidade ao instalar, em 1906, com sucesso, equipamento de ar condicionado numa oficina gráfica. Este equipamento era baseado no sistema de lavador de ar, que resfriou e saturou o ar até o ponto de orvalho. Sua teoria termodinâmica foi apresentada à Americam Society of Mechanical Engineers (ASME) em 1911.

Até fins da Segunda Guerra Mundial, o condicionamento de ar era utilizado principalmente em aplicações industriais. Posteriormente, iniciou-se o desenvolvimento de sistema visando o conforto humano.

No Brasil o termo de Ar Condicionado é popularmente restringido ao resfriamento do ar para o conforto térmico aos ocupantes no recinto condicionado. De uma forma geral Ar Condicionado é definido como o processo de condicionamento de ar que possibilita o controle de temperatura, umidade, pureza e distribuição.

Assim condicionamento de ar inclui processos, tais como aquecimento, refrigeração, radiação térmica, ventilação, distribuição do ar,desumidificação, umidificação, controle de qualidade do ar incluindo a remoção de partículas e vapores.


3 – CONCEITOS BÁSICOS

3.1 – TEMPERATURA

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Temperatura é definida como grau de agitação molecu­lar de um corpo, ou seja, quanto maior a agitação molecular, maior a temperatura do corpo.
A temperatura pode ser determinada pela utilização de um termômetro como instrumento de medida. As medidas podem ser expressas nas seguintes escalas: Centígrados (°C), Fahrenheit (°F), Kelvin (°K) ou Rankine (°R). Sendo que:

T( °C) = 59 ( T( °F) – 32)

T( °F) = 1,8 T( °C) + 32

T( °C) = T( °K) – 273,15

T( °F) = T( °R) – 459,67

Exemplo: Ao medirmos uma temperatura cujo termômetro indica 650°R; e utilizando a 4a equação de conversão, então:

T( °F) = 650 – 459,67 ou T( °F) = 190,33°F (mesma medida expressa em Graus Fahrenheit).

Utilizando a 1a equação de conversão, então:

T( °C) = 59 ( 190,33 – 32) ou T( °C) = 87,96°C (mesma medida expressa em Graus Centígrados).

3.2 – PRESSÃO
É a relação entre força aplicada em uma determinada área ou expressa pela equação P F A = , (onde P = Pres­são, F = Força e A = Área). Suas unidades de medidas podem ser várias, tais como: Atm, Kgf/cm2, Lb/pol2 (ou Psi), Bar, Torr, mm Hg …

Conversão de escalas: 1 Atm = 1,0 Kgf/cm2 = 14,22 Lb/ pol2 (ou Psi) = 0,98 Bar = 76 Torr = 7,6 cm Hg …

Exemplo: Ao medirmos uma pressão cujo manômetro indica 150 Psi; e utilizando a conversão 14,22 Psi = 0,98 Bar, então:

14 22 0 98 , , ( ) ( ) Psi Bar P Psi P Bar == η ; ou

14 210 98 150 , , () = PBar ; ou P = 10,34 Bar (mesma medida expressa em Bar).

OBSERVAÇÃO: É oportuno esclarecer que as escalas ou medidas fa­zem parte de uma convenção definida pelo homem para mensurar grandezas físicas. Isto é, as escalas podem variar conforme o país ou com o instrumento que se mede, porém a grandeza física a um dado estado não.

Exemplo: A água ferve ou vaporiza a uma temperatura de 100°C ao nível do mar, esta mesma água ferve a uma temperatura de 212°F ao nível do mar, ou 373,15°K, ou 671,67°R. Isto nos faz concluir que embora as escalas diferem, todas definem a mesma temperatura ou ponto de ebulição da água ao nível do mar.

Isto ocorre com Pressão, Força, Energia, Massa, Comprimento, Velocidade, etc. O importante é raciocinar sobre o processo físico independente da escala ou unida­de utilizada. No Brasil trabalha-se com o sistema métrico, porém se tomarmos como referência o sistema inglês, poderemos converter as medidas para nosso sistema a fim de compararmos com nossas experiências, porém os elementos físicos não se alterarão nesta conversão.

3.3 – CALOR
Calor é uma forma de energia resultante da diferença de temperatura entre dois corpos, ou seja, calor é a trans­missão da energia térmica. Suas unidades de medidas podem: Joule, Cal, Kcal, Watt-hora, BTU…

Conversão de escalas: 1 KJ = 0,2388 Kcal = 0,2778 W.h = 0.9478 BTU = 238,8 cal…

Exemplo: Ao medirmos a energia de um elemento obtemos 300 Kcal; e utilizando a conversão 0,2388 Kcal = 1 KJ, então:

0 2388 1 , ( ) ( ) Kcal KJ E Kcal E KJ == η , ou

0 23881 300 , () = EKJ , ou EKJ = 1256,28 KJ

(mesma medida expressa em quilo Joules);

A transferência de calor segue os seguintes princípios:

  • Calor sempre transfere do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura (do mais “quente” para o mais “frio”);
  • A massa dos corpos não se altera durante a transferência de calor;
  • A taxa de transferência de calor é maior quanto maior for a diferença de temperatura entre os corpos.

Calor pode ser Sensível ou Latente:

  • Calor sensível é definido como o calor necessário para mudar a temperatura de um corpo (Ex: de 30°C para 50°C);
  • Calor latente é definido como o calor necessário para mudar o estado de um corpo (Ex: de líquido para vapor; de sólido para líquido).

A transferência de calor entre dois corpos pode ocorrer por:

  • Condução: É a forma de transferência de calor que ocorre nos corpos sólidos (Ex: Ao aquecermos a extremidade de uma barra metálica, o calor será conduzido por toda a sua extensão. Ao tocá-la sentiremos o aumento de temperatura na outra extremidade);
  • Convecção: É a forma de transferência de calor que ocorre nos meios líquidos e gasosos (Ex: A barra aquecida do exemplo anterior aquecerá o ar ao seu redor, podemos perceber ao aproximar­mos a mão da barra, sem encostá-la);
  • Radiação: É a forma de transferência de calor que ocorre pela propagação de um gás de fótons de uma superfície para outra, sem que haja um meio transmissor (Ex-1: Se aquecermos a mesma barra anterior até que fique ao rubro, poderemos sentir o calor propagado através de um anteparo como o vidro, se que aja contato com a barra ou o ar aque­cido. Ex-2: Luz Solar).

3.4 – ESTADOS DA MATÉRIA
Podemos definir estado como as características de existência de um corpo sob determinadas condições físicas. Se dizemos que a substancia água é sólida nas seguintes condições: T = 0,0°C e P= 1 atm, definimos um estado de existência da substância água.
Um corpo pode existir em três estados distintos: Sólido, líquido e gasoso.

3.4.1 – MUDANÇA DE ESTADO

Ar Condicionado

Fig – Diagrama Pressão x Temperatura da água.
(As linhas representam mudança de estado a mesma temperatura)

Vamos raciocinar diante dos conceitos básicos escla­recidos. Como mudar o estado de um corpo? Podemos mudar as condições físicas. Veja o Exemplo:

  1. A) AUMENTANDO A TEMPERATURA

Para mudar a água do estado líquido para gasoso, (Trecho AB da figura) podemos aumentar a temperatura do meio em que a água se encontra. Assim estaremos proporcionando uma diferença de temperatura entre a água líquida e o meio. É verdade dizer que estamos transferindo calor para a água

Nesta condição, verificamos que a temperatura da água começará a subir; estaremos fornecendo calor sensí­vel. Para a temperatura de 100°C a água inicia o processo de ebulição ou evaporação. Nota-se que a condição de diferença de temperatura entre o meio e a água deve continuar para que continue a transferência de calor.

Durante o processo de ebulição, também conhecido como mudança de fase, estaremos fornecendo calor la­tente. Este processo ocorre a temperatura constante, isto é, a água permanece a 100°C durante toda a mudança de fase. Não confunda, continuamos a fornecer calor do meio para a água devido a diferença de temperatura entre os dois, porém a temperatura não se eleva. Todo o calor fornecido é utilizado para a mudança de fase.

Após toda a vaporização, a água estará no estado gasoso a 100°C, e se houver diferença de temperatura entre o meio e o vapor de água, haverá fornecimento de calor sensível e aumento da temperatura do vapor de água, até o limite em que iguale a temperatura do meio e da água (vapor) (Ponto B)

Neste exemplo consideramos pressão ao nível do mar.

  1. B) ABAIXANDO A PRESSÃO

Mudança de estado (Trecho AC da Figura). Vamos supor que temos água líquida a T = 30 °C e P = 1 Atm. (Ponto A). Se abaixarmos a pressão chegaremos ao ponto de verificarmos ebulição ou mudança de fase da água líquida para vapor (Ponto C) Isto é em decorrência do estado em que um corpo pode existir.

OBS: Cada elemento tem seu diagrama P x T mas nem todos os corpos mudam de estado devido a pressão.

OBS: A Figura anterior define os vários estados da água dada uma condição de temperatura e pressão.

3.5 – CONDENSAÇÃO
Condensação, também conhecido como liquefação, é o processo em que uma substância passa do estado de vapor para líquido. Este processo ocorre sempre que se retira calor da substância (calor sensível e latente). (Veja sentido BA da fig.). Nota-se que a condensação poderá também ocorrer pelo aumento de pressão. (Sentido CA da fig.)

3.6 – EVAPORAÇÃO
Evaporação, ebulição ou vaporização é o processo inverso da condensação, ou seja, fornecemos calor para uma substância no estado líquido a fim de passarmos para o estado de vapor. O processo de evaporação foi descrito com detalhes no exemplo 1 do item 3.4.1

3.7 – OUTROS PROCESSOS
Verifique no diagrama P x T da figura anterior que outros processos poderão ocorrer. Até este momento estudamos os processos da linha de vaporização, mas apenas comentaremos sobre os processos da linha de fusão e sublimação. Os processos são:

  • Fusão ou descongelamento: É o processo de mu­dança de estado de sólido para líquido. (Ex: gelo para água)
  • Solidificação ou Congelamento: É o processo inver­so é da fusão
  • Sublimação: É o processo de mudança de estado de sólido para vapor. (Ex: gelo para vapor)
  • Resublimação: É o processo inverso da sublima­ção

4 – DEFINIÇÃO DE AR CONDICIONADO
No Brasil o termo de Ar Condicionado é popularmente restringido ao resfriamento do ar para o conforto térmico aos ocupantes no recinto condicionado. De uma forma geral Ar Condicionado é definido como o processo de condicio­namento de ar que possibilita o controle de temperatura, umidade, pureza e distribuição.

Assim condicionamento de ar inclui processos, tais como aquecimento, refrigeração, radiação térmica, ven­tilação, distribuição do ar, desumidificação, umidificação, controle de qualidade do ar incluindo a remoção de partí­culas e vapores.

 

Conteúdo disponibilizado en diagweb.com.br – DIAG01 


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