MAPA – FENÔMENOS DE TRANSPORTE – 52/2023

A estocagem e o transporte de produtos perecíveis é conseguida graças aos sistemas de refrigeração desenvolvidos com o avanço da engenharia. Quem aí já não parou para pensar como um sistema de refrigeração funciona? Pois é, eu acredito que você já tenha ficado com esse pensamento. Contudo, não se preocupe! A maioria das respostas podem ser obtidas ao entender os Fenômenos de Transporte e aplicá-los ao sistema de refrigeração.

De uma forma generalizada, um sistema de refrigeração é composto, basicamente, por dispositivos de potência (compressor), dispositivos de troca térmica (trocadores de calor), dispositivos de expansão (válvula de expansão), uma rede de tubulação e um fluido refrigerante.

​Fonte: https://revistadofrio.com.br/como-funciona-um-sistema-de-refrigeracao/. Acesso em: 28 abr. 2023.

A rede de tubulação conecta os dispositivos de potência, expansão e de troca térmica e permite que o fluido refrigerante escoe em todo o sistema sob uma determinada vazão. Os tubos da rede, geralmente, são construídos de cobre. Da mecânica dos fluidos, sabemos que todo fluido em escoamento sofre uma perda de pressão devido à rugosidade do material do tubo. Assim, a mecânica dos fluidos está envolvida no dimensionamento da tubulação do sistema de refrigeração. Por outro lado, da transferência de calor, sabemos que, nos dispositivos de troca térmica, o calor será transferido de um corpo de maior para um de menor temperatura. Dessa forma, a quantidade de calor trocado no evaporador e no condensador, bem como as áreas de troca térmica são dimensionadas com base nos fundamentos da transferência de calor.

Para um sistema de refrigeração hipotético, faça o que se pede a seguir:

a) Determine qual deve ser o diâmetro da tubulação de cobre (ε = 0,0015 mm), sabendo que o fluido (ρ = 0,0015 g mL^-1 e µ = 0,012 cP) escoa a uma vazão de 2 kg s^-1, e a velocidade do fluido na rede de tubulação deve ser mantida a 25 m s^-1. Informe o diâmetro em polegadas (in) e demonstre os passos realizados para obter a resposta de forma a justificá-la.

b) Utilizando as informações do fluido e da tubulação expostas na alternativa (a), determine se o fluido em escoamento se encontra em regime laminar ou turbulento. Justifique.

c) Utilizando as informações do fluido e da tubulação expostas na alternativa (a), determine o fator de atrito do escoamento. Demonstre os passos realizados para obter a resposta de forma a justificá-la.

d) Utilizando as informações do fluido e da tubulação expostas na alternativa (a), determine a perda de carga do escoamento. Informe a perda de carga em metros de água por metro de tubulação (m_H2O m^-1) e demonstre os passos realizados para obter a resposta de forma a justificá-la.

e) Determine a potência do compressor sabendo que ele opera adiabaticamente com 75% de eficiência e uma queda de pressão de 465 kPa. Além disso, as perdas por atrito podem ser desprezadas no compressor, o qual opera a vazão constante de 2 kg s^-1 e com os mesmos fluidos e diâmetros da tubulação (entrada e saída do compressor) informados na alternativa (a). Informe a potência em kW, considere o fluido como incompressível e demonstre os passos realizados para obter a resposta de forma a justificá-la.

f) Determine a área de troca térmica do evaporador sabendo ele é um trocador de calor que foi projetado para retirar calor do ambiente a ser refrigerado a uma taxa de 75 kJ por kg de fluido refrigerante utilizado no sistema. O fluido refrigerante circula no sistema a uma vazão de 2 kg s^-1 e mantém a parede interna da serpentina de cobre (k = 390 W m^-1 K^-1 e espessura de 3 mm) do evaporador a 248 K e a parede externa a 258 K. Informe a área em m² e demonstre os passos realizados para obter a resposta de forma a justificá-la.

g) Considerando as informações da alternativa (f), se o ambiente externo for mantido a -5^oC, determine o coeficiente convectivo do ar presente no ambiente a ser refrigerado. Informe o coeficiente convectivo em W m^-2 K^-1 e demonstre os passos realizados para obter a resposta de forma a justificá-la.