Mecânico de refrigeração domiciliar 2, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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FIRJAN CIRJ SESI SENAI IEL MECÂNICO DE REFRIGERAÇÃO DOMICILIAR SENAI-RJ • Refrigeração versão preliminar REFRIGERADORES/CONGELADORES II SENAI-RJ 2002 FIRJAN CIRJ SESI SENAI IEL MECÂNICO DE REFRIGERAÇÃO DOMICILIAR versão preliminar REFRIGERADORES/CONGELADORES II Mecânico de Refrigeração Domiciliar: Refrigeradores/Congeladores II 2002 SENAI-Rio de Janeiro Diretoria de Educação Ficha técnica Gerência de Educação Profissional Luis Roberto Arruda Gerência de Produto Darci Pereira Garios Produção Editorial Vera Regina Costa Abreu Pesquisa de Conteúdo e Redação Eduardo Renato da Costa Dantas Machado Revisão Pedagógica Maria Angela Calvão da Silva Revisão Gramatical e Editorial Maria Angela Calvão da Silva Revisão Técnica Antônio Joaquim Pereira Sobrinho Rui André Lichtenfels Projeto Gráfico Artae Design & Criação Edição revista do material Mecânico Refrigeração Domiciliar, publicado pelo Centro de Tecnologia Euvaldo Lodi, SENAI–RJ. SENAI–Rio de Janeiro GEP - Gerência de Educação Profissional Rua Mariz e Barros, 678 - Tijuca 20270-002 - Rio de Janeiro - RJ Tel.: (0xx21) 2587-1117 Fax: (0xx21) 2254-2884 http://www.rj.senai.br Sumário APRESENTAÇÃO..................................................................................... 9 UMA PALAVRA INICIAL ....................................................................... 11 INTRODUÇÃO ...................................................................................... 15 TERMOLOGIA........................................................................................ 19 TERMOMETRIA ..................................................................................... 31 PREPARAÇÃO DE TUBOS PARA USO EM REFRIGERAÇÃO .......... 59 PROCEDIMENTOS PARA SOLDAGEM............................................... 71 CICLO DE REFRIGERAÇÃO................................................................. 95 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................... 103 1 2 3 4 5 6 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Uma Palavra Inicial SENAI-RJ – 11 Uma palavra inicial Meio ambiente... Saúde e segurança no trabalho... O que é que nós temos a ver com isso? Antes de iniciarmos o estudo deste material, há dois pontos que merecem destaque: a relação entre o processo produtivo e o meio ambiente; e a questão da saúde e segurança no trabalho. As indústrias e os negócios são a base da economia moderna. Produzem os bens e serviços necessários, e dão acesso a emprego e renda; mas, para atender a essas necessidades, precisam usar recursos e matérias-primas. Os impactos no meio ambiente muito freqüentemente decorrem do tipo de indústria existente no local, do que ela produz e, principalmente, de como produz. É preciso entender que todas as atividades humanas transformam o ambiente. Estamos sempre retirando materiais da natureza, transformando-os e depois jogando o que “sobra” de volta ao ambiente natural. Ao retirar do meio ambiente os materiais necessários para produzir bens, altera-se o equilíbrio dos ecossistemas e arrisca-se ao esgotamento de diversos recursos naturais que não são renováveis ou, quando o são, têm sua renovação prejudicada pela velocidade da extração, superior à capacidade da natureza para se recompor. É necessário fazer planos de curto e longo prazo, para diminuir os impactos que o processo produtivo causa na natureza. Além disso, as indústrias precisam se preocupar com a recomposição da paisagem e ter em mente a saúde dos seus trabalhadores e da população que vive ao redor dessas indústrias. Com o crescimento da industrialização e a sua concentração em determinadas áreas, o problema da poluição aumentou e se intensificou. A questão da poluição do ar e da água é bastante complexa, pois as emissões poluentes se espalham de um ponto fixo para uma grande região, dependendo dos ventos, do curso da água e das demais condições ambientais, tornando difícil localizar, com precisão, a origem do problema. No entanto, é importante repetir que, quando as indústrias depositam no solo os resíduos, quando lançam efluentes sem tratamento em rios, lagoas e demais corpos hídricos, causam danos ao meio ambiente. O uso indiscriminado dos recursos naturais e a contínua acumulação de lixo mostram a falha básica de nosso sistema produtivo: ele opera em linha reta. Extraem-se as matérias-primas através de processos de produção desperdiçadores e que produzem subprodutos tóxicos. Fabricam-se produtos de utilidade Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Uma Palavra Inicial 12 – SENAI-RJ limitada que, finalmente, viram lixo, o qual se acumula nos aterros. Produzir, consumir e dispensar bens desta forma, obviamente, não é sustentável. Enquanto os resíduos naturais (que não podem, propriamente, ser chamados de “lixo”) são absorvidos e reaproveitados pela natureza, a maioria dos resíduos deixados pelas indústrias não tem aproveitamento para qualquer espécie de organismo vivo e, para alguns, pode até ser fatal. O meio ambiente pode absorver resíduos, redistribuí-los e transformá-los. Mas, da mesma forma que a Terra possui uma capacidade limitada de produzir recursos renováveis, sua capacidade de receber resíduos também é restrita, e a de receber resíduos tóxicos praticamente não existe. Ganha força, atualmente, a idéia de que as empresas devem ter procedimentos éticos que considerem a preservação do ambiente como uma parte de sua missão. Isto quer dizer que se devem adotar práticas que incluam tal preocupação, introduzindo processos que reduzam o uso de matérias-primas e energia, diminuam os resíduos e impeçam a poluição. Cada indústria tem suas próprias características. Mas já sabemos que a conservação de recursos é importante. Deve haver crescente preocupação com a qualidade, durabilidade, possibilidade de conserto e vida útil dos produtos. As empresas precisam não só continuar reduzindo a poluição, como também buscar novas formas de economizar energia, melhorar os efluentes, reduzir a poluição, o lixo, o uso de matérias-primas. Reciclar e conservar energia são atitudes essenciais no mundo contemporâneo. É difícil ter uma visão única que seja útil para todas as empresas. Cada uma enfrenta desafios diferentes e pode se beneficiar de sua própria visão de futuro. Ao olhar para o futuro, nós (o público, as empresas, as cidades e as nações) podemos decidir quais alternativas são mais desejáveis e trabalhar com elas. Infelizmente, tanto os indivíduos quanto as instituições só mudarão as suas práticas quando acreditarem que seu novo comportamento lhes trará benefícios — sejam estes financeiros, para sua reputação ou para sua segurança. A mudança nos hábitos não é uma coisa que possa ser imposta. Deve ser uma escolha de pessoas bem-informadas a favor de bens e serviços sustentáveis. A tarefa é criar condições que melhorem a capacidade de as pessoas escolherem, usarem e disporem de bens e serviços de forma sustentável. Além dos impactos causados na natureza, diversos são os malefícios à saúde humana provocados pela poluição do ar, dos rios e mares, assim como são inerentes aos processos produtivos alguns riscos à saúde e segurança do trabalhador. Atualmente, acidente do trabalho é uma questão que preocupa os empregadores, empregados e governantes, e as conseqüências acabam afetando a todos. De um lado, é necessário que os trabalhadores adotem um comportamento seguro no trabalho, usando os equipamentos de proteção individual e coletiva, de outro, cabe aos empregadores prover a empresa com esses equipamentos, orientar quanto ao seu uso, fiscalizar as condições da cadeia produtiva e a adequação dos equipamentos de proteção. A redução do número de acidentes só será possível à medida que cada um – trabalhador, patrão e governo – assuma, em todas as situações, atitudes preventivas, capazes de resguardar a segurança de todos. Introdução 1 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Introdução SENAI-RJ – 17 O técnico dedicado à manutenção de refrigeradores, condicionadores de ar e bebedouros deve ter uma boa noção dos fundamentos da Física. Tais conhecimentos serão indispensáveis para o entendimento do ciclo da refrigeração. Além dos conceitos físicos abordaremos, neste fascículo, as técnicas de trabalho e soldagem de tubos de refrigeração. Os conhecimentos serão apresentados de forma objetiva, facilitando o entendimento dessas noções. Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termologia SENAI-RJ – 21 Matéria Matéria é tudo aquilo no universo que tem peso e ocupa lugar no espaço. Toda matéria é composta de moléculas que, por sua vez, são formadas por partículas chamadas átomos. Os átomos são compostos por partículas ainda menores, conhecidas como elétrons, prótons e nêutrons. A matéria se apresenta na natureza em três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso, que são explicados através dos movimentos das moléculas, mais ou menos intensos, com maior ou menor liberdade, dependendo do estado de agregação ou força de coesão. Forças de Coesão São forças de ação mútua que fazem com que as moléculas que formam as substâncias se mantenham em sua posição. No estado sólido (S) as moléculas estão fortemente coesas (A); nos estados líquido e gasoso, as moléculas têm maior liberdade de movimento (B). Fig. 1 vapor líquido Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termologia 22 – SENAI-RJ Estado sólido Neste estado as forças de coesão entre as moléculas são intensas e só permitem vibrações ligeiras. As moléculas dispõem-se com regularidade, formando uma rede cristalina. Assim, os sólidos apresentam forma e volume bem definidos. Estado líquido No estado líquido, as moléculas possuem maior liberdade de movimento e podem mover-se livremente sobre as outras, de maneira que o material flui. Os líquidos são pouco compressíveis e possuem elasticidade perfeita, adaptando-se à forma do recipiente que os contem. Estado gasoso No estado gasoso, as forças de coesão entre as moléculas são extremamente fracas, permitindo livre movimentação. Devido à grande expansibilidade que possuem, os gases (e vapores) tendem a ocupar todo o espaço do recipiente em que estiverem contidos, não apresentando, desta forma, volume e formas definidos. Há uma diferença física entre gases e vapores. Gases São substâncias que se apresentam em estado aeriforme nas condições normais de temperatura e pressão. Vapores São substâncias que se apresentam em estado aeriforme, mas próximos do seu ponto de liquefação. São instáveis e passam ao estado líquido facilmente. Se colocarmos a água em presença de gelo, ocorrerá uma diminuição do movimento molecular: a energia térmica diminuirá. Energia térmica É a energia cênica associada ao movimento de agitação térmica das moléculas. Se aquecermos a água através de um bico de gás, o movimento de suas moléculas tornar-se-á mais intenso: a energia térmica aumentará. Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termologia SENAI-RJ – 25 Portanto, em termos rigorosos, é incorreto falar que o peso de um corpo é 10 kg. Podemos referir-nos à massa de 10 quilogramas, cujo peso é 10 Newtons (g = aceleração da gravidade). Fig. 3 - O peso de um corpo é a força de atração da Terra sobre ele. Pressão atmosférica Pressão atmosférica é a pressão da atmosfera terrestre na superfície da Terra. Tal fato foi evidenciado por Torricelli, ao realizar a seguinte experiência: encheu um tubo de vidro de 120 mm com mercúrio, até a borda; tapou a extremidade aberta e o inverteu num recipiente contendo mercúrio. Torricelli concluiu que a pressão exercida pelo ar sobre a superfície livre do mercúrio era igual à pressão dos 76 cm de mercúrio contido no tubo. 76 mm = 760 mm Hg = 1 atm O mesmo corpo de peso 10 N está apoiado em faces de áreas diferentes. A pressão é maior na base menor. Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termologia 26 – SENAI-RJ Experiência de Torriccelli A partir da experiência de Torricelli foram determinadas as unidades equivalentes. A pressão de uma coluna de mercúrio de exatamente 76 cm de mercúrio a 0º C e sob a aceleração da gravidade Fig. 4 Fig. 5 F1= 10N A1= 0,4m2 P1 = P1 = 10 0,4 25N/m2 F2= 10N A2= 0,2m2 P2= P2 = 10 0,2 50N/m2 vácuo tampa mercúrio tubo Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termologia SENAI-RJ – 27 normal g = 9,80665 m/s2 é denominada atmosfera (atm) ou pressão normal. A massa específica do mercúrio a 0º C é 13,595 g/cm3. A pressão atmosférica varia em função da altitude. Acima do nível do mar, no topo de uma montanha, por exemplo (figura 6), eliminamos a altura da montanha da massa de ar ou atmosférica que envolve a Terra e, como conseqüência, a pressão diminuirá. A pressão atmosférica na cidade do Rio de Janeiro, ao nível do mar, é maior que a pressão atmosférica em Belo Horizonte (836 m). Pressão absoluta e pressão manométrica Pressão absoluta é a pressão total ou real de fluido. Pressão Manométrica é a pressão lida no manômetro. Note-se que os manômetros estão calibrados para se ler zero na pressão atmosférica. PRESSÃO ABSOLUTA = PRESSÃO ATMOSFÉRICA + PRESSÃO MANOMÉTRICA 29 ,9 2 Po l. (7 6 cm ) 76 c m mercúrio 1Pol2 mercúrio 1cm214,7 lbs (1.033 kg) 1.033 kg 1 atm = 14,7 lb/Pol2 (PSI)* 1 atm = 1.033 kg /cm2 *PSI = Pound Square Inches (Lb /Pol2) Fig. 6 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termologia 30 – SENAI-RJ 14,7 = 1,033 = 760 mmHg = 760.000 µ pol2 cm2 1b kg Termometria 3 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 35 tF Escala Fahrenheit Conversão de temperatura As leituras de temperatura em uma escala Celsius podem se converter em Fahrenheit ou vice-versa. Para obtermos a relação entre as leituras, devemos estabelecer uma relação entre os segmentos x e y que são determinados na haste do termômetro. um grau Fahrenheit (oF) 72 71 212 oF (tV) 180 partes iguais 32 oF (tG) A escala Fahrenheit, normalmente utilizada nos países de língua inglesa, adota os valores: 32 (trinta e dois) – ponto de gelo 212 (duzentos e doze) – ponto de vapor O intervalo entre esses dois pontos é dividido em 180 partes, cada uma das quais é o Grau Fahrenheit, cujo símbolo é 100º F. Ao criar sua escala , Fahrenheit teria adotado 0 (zero) para mistura de cloreto de amônia e neve, e 100 (cem) para a temperatura do corpo humano. Fig. 3 - Escala Fahrenheit ponto do vapor sistema ponto do gelo X Y tC 100 0C 212 0F 0 0C 32 0F Fig. 4 - Conversão entre as leituras nas escalas Celsius e Fahrenheit Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 36 – SENAI-RJ Sendo t C a leitura Celsius e t F a leitura Fahrenheit para dada temperatura de um sistema, a relação entre os segmentos x e y é assim representada: x tc - 32 tF - 32 tc tF - 32 Desta relação obtemos: tc 5 (tf - 32) tF = 1,8 tc + 32 Escala absoluta ou Kelvin A temperatura mais baixa que pode existir é um estado térmico em que cessa a agitação térmica, isto é, em que as moléculas estão em repouso. A esse limite inferior de temperatura dá- se o nome de zero absoluto que corresponde à temperatura de - 273, 165 ºC. Na prática, utiliza-se o valor - 273º C. Baseado neste estado térmico, Lord Kelvin estabeleceu a escala absoluta, que tem origem (zero) no Zero Absoluto e adota como unidade o Kelvin (K), cuja extensão é igual à do Grau Celsius (C). Ponto de Gelo: 0º C correspondente a 273 K Ponto de Vapor: 100º C correspondente a 373 K Uma variação de 1º C é igual à variação de temperatura de 1 K. Assim, tK = tc + 273 = = 9 100 180 = y 100 - 0 212 - 32 = Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 37 onde: t K = temperatura absoluta em graus Kelvin; t c = temperatura em graus Celsius. Exemplo Um termômetro, num tanque de compressor de ar, indica que a temperatura do ar, ali, é de 55º C. Determinar a temperatura absoluta em graus Kelvin. Solução: t K = t c + 273 t K = 55 + 273 t K = 328 K Calorimetria Considere dois corpos A e B em diferentes temperaturas t A e t B , tais que t A > t B . Colocando-os em presença um do outro, verifica-se que a energia térmica é transferida de A para B. Essa energia térmica em trânsito é denominada calor. Calor é a energia em trânsito entre corpos de diferentes temperaturas. A passagem de calor cessa ao ser atingido o equilíbrio térmico, isto é, quando as temperaturas se igualam. calor TA > TB TA = TB Fig. 5 - Equilíbrio térmico Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 40 – SENAI-RJ Para cada substância, o calor específico depende do seu estado de agregação. Para água, nos três estados, temos: Sólido (gelo) – 0,5 kcal/kgºC Água líquida – 1 kcal/kgºC Vapor d’água – 0,48 kcal/kgºC Calor latente Há fenômenos em que ocorrem trocas de calor e a temperatura permanece constante. É o que acontece, por exemplo, durante as mudanças de fase. Calor latente de uma mudança de fase é a quantidade de calor que a substância recebe (ou cede) por unidade de massa, durante a transformação, matendo-se constante a temperatura. Imaginemos um recipiente contendo gelo inicialmente a 0ºC (A). Se colocarmos esse recipiente em presença de uma fonte de calor, notaremos que o gelo se transforma em água líquida, mas a temperatura durante a fusão permanece constante (B). Enquato o gelo derrete, a temperatura se mantém a 0º C, sob pressão normal. Quando o gelo derrete, verifica-se que deve receber 80 quilocalorias por quilograma, mantendo-se a temperatura constante em 0º C (C). Essa quantidade é denominada calor latente de fusão do gelo. Calor latente de fusão do gelo (0º C) = 80 kcal/kgºC. Calor latente de vaporização da água (100º C) = 539 kcal/kgºC. (A) (B) (C) 00C 00C 00C Fig. 6 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 41 A equação para cálculo da quantidade de calor latente é dada por QL = mL onde: QL = quantidade de calor latente M = massa (kg) L = calor latente (kcal/kg) Processos de transmissão de calor Os principais tipos de transmissão de calor são: • Condução; • Convecção; • Irradiação. Condução térmica Segure a extremidade de uma barra de ferro e leve a outra extremidade a uma chama. Após um intervalo de tempo relativamente curto, a extremidade que você segura estará quente. O processo pelo qual o calor se propagou para a mão é denominado condução térmica. O ferro é bom condutor. O calor se propaga rapidamente da extremidade B para A. A B Fig. 7 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 42 – SENAI-RJ No exemplo dado, parte da energia calorífica da extremidade quente fluirá. Por condução de molécula a molécula, através da barra, para a outra extremidade. Espontaneamente, o calor sempre se propaga de um corpo com maior temperatura para um corpo de menor temperatura. Se a experiência descrita fosse realizada com uma barra de vidro, só após muito tempo a extremidade A estaria aquecida, pois o vidro é um mau condutor ou isolante térmico. O isolamento térmico é uma importante aplicação relacionada com a condução. Assim, utilizam-se materiais isolantes térmicos para manter um corpo numa temperatura mais alta ou mais baixa que o ambiente. A capacidade relativa de condução de calor em um material é conhecida como condutividade térmica. Os materiais que são bons condutores de calor têm uma alta condutividade térmica e os maus condutores de calor têm baixa condutividade e são empregados como isolantes térmicos. Em geral, os sólidos conduzem calor melhor que os líquidos, e os líquidos melhor que os gases. Isto se explica pela diferença de estrutura molecular. As moléculas de um gás se encontram muito separadas, e a transferência de calor por condução, de molécula a molécula, torna-se difícil. Convecção térmica A transferência de calor por convecção ocorre quando há movimento de calor de um lugar para outro, por meio de correntes que se estabelecem dentro de um meio fluido. Estas correntes são conhecidas como correntes de convecção, e a movimentação das diferentes partes do fluido ocorre pela diferença de densidade que surge em virtude do aquecimento ou resfriamento do mesmo. Ao se aquecer um recipiente contendo água, a sua temperatura aumenta e se dilata; isto é, aumenta o seu volume por unidade de peso. Assim, as porções mais quentes das regiões inferiores, tendo sua densidade diminuída, sobem, e as porções mais frias da região superior, tendo maior densidade, descem. As porções mais frias da água descem para substituir as mais rápidas, que se elevam. chama o calor é conduzido da chama à água através do fundo do recipiente Fig. 8 - Correntes de convecção num líquido em aquecimento Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 45 Diagrama de fases A fase em que uma substância se encontra depende de suas condições de pressão e temperatura, podendo estar também num estado que corresponda ao equilíbrio entre as duas fases ou mesmo entre as três fases. Representando-se diferentes estados da substância no gráfico Pressão x Temperatura, obtemos o denominado Diagrama de Fases da substância. elevação de temperatura abaixamento de temperatura sublimação sublimação (cristalização) fusão sublimação solidificação condensação sólido líquido gasoso T - ponto triplo ou tríplice 1 - curva de fusão 2 - curva de vaporização 3 - curva de sublimação 1 2 T 760 mmHg 4,58 mmHg 00C 0,010C 1000C 3 líquido vapor sólido ÁGUA p t(oC) t (oC) Fig. 10 Fig.11 lí i Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 46 – SENAI-RJ O estado representado pelo ponto comum às três curvas é denominado ponto triplo ou tríplice. Assim, sob pressão de 4,58 mmHg e temperatura de 0,01 ºC, podemos obter para a água um sistema constituído por gelo, água em estado líquido e vapor d’água em equilíbrio. O diagrama de fases é constituído de três curvas figurativas dos estados de equilíbrio da substância: • equilíbrio sólido líquido = Curva de Fusão • equilíbrio líquido vapor = Curva de Vaporização • equilíbrio sólido vapor = Curva de Sublimação Equilíbrio sólido-líquido Fusão e solidificação Se aquecermos um sólido cristalino sob pressão constante, superior ao ponto triplo, ele sofre fusão a uma temperatura tF, a qual permanece constante durante o processo. Fig. 12 - Gelo, água em estado líquido e vapor d’água em equilíbrio gelo vapor água em estado líquido termômetro P = 4,58 mmHg manômetro Fig. 13 - Aquecimento de um corpo inicialmente sólido t (oC) tF 0 Q (kcal) fusão líquido sólido Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 47 O calor absorvido por unidade de massa, enquanto o corpo funde, constitui o calor latente de fusão. Quando um líquido é resfriado sob pressão constante, ele sofre solidificação à mesma temperatura na qual o sólido se funde. O calor perdido por unidade de massa, enquanto o líquido se solidifica, é o calor latente de solidificação. Equilíbrio líquido vapor Ebulição e Condensação Se aquecermos uma substância pura na fase líquida, sob pressão constante, ela ferve, isto é, sofre ebulição numa temperatura T V , que permanece constante durante o processo. O calor que o líquido absorve por unidade de massa, enquanto ferve, constitui o calor latente de vaporização. Se resfriarmos o vapor de uma substância pura, sob pressão constante, o mesmo se transforma em líquido, isto é, sofre condensação ou liquefação na mesma temperatura em que o líquido ferve. Fig. 14 - Resfriamento de um corpo inicialmente líquido t (oC) ts 0 Q (kcal) solidificação líquido sólido t (oC) tV 0 Q (kcal) vaporização líquido vapor Fig. 15 - Aquecimento de um corpo inicialmente líquido Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 50 – SENAI-RJ Para qualquer substância, se a pressão externa aumentar, o líquido ferverá numa temperatura mais elevada. A água, em particular, ferve a 100 ºC ao nível do mar, onde a pressão atmosférica é normal (1 atm). Em maiores altitudes, a ebulição da água ocorre em temperaturas mais baixas, porque a pressão atmosférica é menor. A temperatura de ebulição de uma substância depende da altitude. Fig. 17 - Curva de vaporização da água p (mmHg) t (oC) 165.300 11.630 760 4,58 0 0,01 100 200 374 LA PAZ QUITO BRASÍLIA SÃO PAULO RECIFE Mar 870C 900C 960C 980C 1000C Fig. 18 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 51 Equilíbrio sólido – vapor Sublimação Se um sólido cristalino for aquecido sob pressão constante, inferior à pressão do ponto triplo, ele sofre sublimação, numa temperatura t S , que permanece constante durante o processo. Ex : lodo e gelo seco Se, sob a mesma pressão, o vapor da substância for resfriado, ele se transforma em sólido, sofrendo sublimação ou cristalização à mesma temperatura em que ocorreu o processo anterior. O vapor, ao ser resfriado, se cristaliza à temperatura t S . Ao se aquecer iodo cristalino em um recipiente, verificamos que o mesmo passa diretamente para a fase de vapor à temperatura de 185,3 ºC. Se, acima do recipiente de onde saem os vapores de iodo, colocarmos uma superfície fria, notaremos a formação de cristais de iodo sobre a mesma, pois os vapores cristalizam-se ao entrarem em contato com a superfície. Fig. 19 - Aquecimento de um corpo inicialmente sólido t (oC) tS 0 Q (kcal) sublimação sólido t (oC) tS 0 Q (kcal) sublimação sólido vapor vapor Fig. 20 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 52 – SENAI-RJ Conceitos sobre substâncias puras e mudanças de fase Temperatura de saturação Ao se elevar a temperatura de um líquido, parte dele se transforma em vapor. A temperatura do líquido nessa condição é denominada temperatura de saturação. Vapor saturado É o vapor produzido por um líquido em vaporização, desde que se encontre nas mesmas condições de pressão e temperatura do líquido saturado do qual provem. Pode-se definir, também, vapor saturado como vapor à temperatura, de maneira que qualquer resfriamento faça com que o mesmo se condense e tome a estrutura molecular do estado líquido. Fig. 21 - Sublimação e cristalização do iodo superfície fria 185,3 0C Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 55 Tabela 2 - Equivalências Para converter de para: multiplique por: kcal kg 4,186 kcal btu 4 kcal kgm 427 kcal/kg btu/lb 1,8 kwh btu 3,413 kwh kcal 860 kw HP 1,341 cv HP 0,9863 cv kw 0,7355 kgm btu 9,294 x 10-3 kgm J 9,807 TR btu/h 12.000 TR kcal/h 3.024 vapor superaquecido 1,0000 0,9999 0,9998 0,9997 0,9996 0 2 4 6 8 10 t (0C) d (g/cm3) Fig. 25 - Gráfico e variações da densidade da água Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria 56 – SENAI-RJ TR - Tonelada de refrigeração É a unidade de quantidade de calor mais comumente utilizada em ar condicionado. É um termo introduzido pelos americanos: tonelada de refrigeração é a quantidade de calor necessária para fundir 2.000 libras de gelo em 24 horas. Demonstração: Sabe-se que a quantidade de calor necessária para fundir o gelo é dada pela fórmula: Q = mL onde: Q = quantidade de calor (btu) m = massa do gelo (2.000 lb) L = calor latente de fusão do gelo (144 btu/lb) 144 btu Q 288.000 btu 12.000 btu 1 kcal = 3.9685 btu Portanto: 1 TR = 12.000 btu/h = 3.024 kcal/h Alguns autores definem TR como sendo a quantidade de calor necessária para fundir uma tonelada de gelo em 24 horas. No Sistema Métrico, sabemos que uma tonelada é igual a 1.000 kg e o calor latente de fusão do gelo é igual a 80 kcal/kg. 24 h 24 h h TR = = = Q = 2.000lb x = 288.000 btu lb Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Termometria SENAI-RJ – 57 Teremos, portanto: Q = 1.000 kg x 80kcal = 80.000 kcal TR = 80.000 = 3.024 A diferença constatada explica-se pelo fato de que o valor correto equivalente a 2.000 libras é de 907,18 kg. Se utilizarmos este valor, teremos: Q = 907.18 kg x 80 = 72.574,4 kcal TR = = 3.024 kcal/h 1 TR = 3.024 kcal/h 3.000 kcal/h kcal kg 72.574,4 24h kcal Kg kcal h Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Preparação de Tubos para Refrigeração SENAI-RJ – 61 Na prática da refrigeração, em vários momentos, surge a necessidade de se unir componentes (compressor, evaporador, filtros, etc.). Essa interligação é feita através de tubos. As conexões poderão ser efetuadas por processo de flangeamento e/ou soldagem. Normalmente, os tubos usados em refrigeração são de cobre, que é utilizado na proteção de outros metais oxidáveis, por meio de eletrólise. Esse processo reveste esses metais de uma camada protetora de cobre, por meio de corrente elétrica, num banho de ácido. Para uso industrial, o cobre se apresenta sob as formas de vergalhões, chapas, fios e tubos. Os vergalhões e chapas são obtidos por laminação; os fios e os tubos, por trefilação. Esses processos de modificação de formas são aplicados ao cobre, ao aço e a outros materiais metálicos, em instalações caras e de grande produção. Os vergalhões são indicados ou especificados comercialmente pelas medidas lineares da seção ou do perfil. Os fios e chapas o são por números padrões (FIEIRAS - conforme figura). Às fieiras correspondem tabelas contendo os diâmetros (em milímetros ou polegadas) dos números dos fios e as espessuras dos números das chapas, também em milímetro ou polegadas. Finalmente, os tubos são especificados pelos diâmetros e espessuras das paredes. chapa Fig. 1 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Preparação de Tubos para Refrigeração 62 – SENAI-RJ O cobre, depois do aço e do ferro fundido, é o material metálico de maior uso na indústria, apresentando as seguintes características: 1. cor avermelhada; 2. massa específica: 8,9 g/cm3 , temperatura em que se funde: 1083oC; 3. maleável, isto é, de fácil deformação, deixando-se laminar bem; 4. dúctil; facilmente se esteada em fios; 5. pouco duro; 6. pouco tenaz, isto é, resiste mal aos esforços de deformação lenta (torção, flexão, tração e compressão); 7. bom condutor de eletricidade. depois da prata, é o melhor condutor de corrente elétrica; 8. bom condutor de calor; 9. quando exposto ao ar úmido, oxida-se, cobrindo-se de uma camada esverdeada (azinhavre). Resiste, entretanto, muito bem à corrosão, quer pela água, quer por ácidos diluídos, tais como o ácido sulfúrico e o ácido clorídrico; 10. não se presta, quando isolado, a trabalhos de fundição. Suas ligas, entretanto, moldam-se muito bem; 11. quando sofre deformações freqüentes (martelagem, por exemplo), torna-se duro e quebradiço. Para que o cobre, em tal caso, recupere a maleabilidade, deve ser aquecido (recozido) e, em seguida, mergulhado em água fria. Vantagens do uso do cobre • Por ser maleável e bom condutor de calor, presta-se bem à construção de caldeiras, tachos e, em geral, tanques e tubulações de vapor e de água quente. • Por ser dúctil, maleável e bom condutor de eletricidade, tem variado emprego na fabricação de fios, chapas, contatos, barras, parafusos e peças diversas para usos da eletricidade, na telegrafia e na telefonia. • Por sua resistência à corrosão é, em algumas regiões, usado em calhas, condutores e até na cobertura de certas partes de prédios. Flangeamento de tubos Dados os cuidados com os tubos de refrigeração, a sua preparação requer o uso de ferramentas especiais que propiciem um perfeito acabamento com total vedação. Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Preparação de Tubos para Refrigeração SENAI-RJ – 65 Alargador de expansão É o mais prático e o mais perfeito. Seu funcionamento consiste no encaixe do mandril ao tubo a ser expandido e no acionamento da alavanca. Alargador de repuxo Só usado em casos especiais, pois depende de uma máquina de furar, de coluna. Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Preparação de Tubos para Refrigeração 66 – SENAI-RJ Flangeador Flangeador é uma ferramenta que permite ao mecânico dar forma ao tubo para que, ao ser aplicado, possa ser feita uma vedação completa na colocação de uniões da tubulação, em válvulas, registros, etc. O flangeador é composto de base (estampo) e um grampo contendo um parafuso rosqueado com seu corpo. Na extremidade do parafuso encontra-se uma ponta cônica giratória. Esta, ao ser encaixada, permite o giro do parafuso, sem que haja atrito no tubo a ser flangeado. O bom flangeamento depende das condições do tubo e do flangeador, sendo necessário que os dois estejam em bom estado. Procedimentos para alargar e flangear tubos de cobre Alargar o tubo é aumentar o seu diâmetro, para permitir que as emendas de tubos sejam feitas com segurança tanto pelo processo de solda como pelo de conexões. parafuso grampo ponta cônica base estampo Fig. 9 Fig. 10 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Preparação de Tubos para Refrigeração SENAI-RJ – 67 Roteiro – PREPARAÇÃO PARA FLANGEAR TUBO CASO I 1. Corte o tubo e escareie, usando um cortador de tubo. a. Monte o cortador no tubo. b. Aperte ligeiramente a lâmina ao tubo e gire o cortador, repetindo a operação até que o tubo fique cortado. c. Escareie o tubo com ferramenta própria e gire o escareador apontado, depois, no tubo. 2. Flangeie o tubo. a. Selecione o furo de acordo com o seu diâmetro e prenda-o ao suporte do flangeador. Fig. 11 Fig. 12 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Preparação de Tubos para Refrigeração 70 – SENAI-RJ CASO II Roteiro – CORTE DE TUBOS CAPILARES 1. Faça uma marca em volta do tubo usando lima-faca-murça, e seccione-o, flexionando-o com movimentos alternativos. Fig. 17 Fig. 18 Procedimentos para soldagem 5 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem SENAI-RJ – 75 Observação Lembre-se de que o oxigênio ajuda a queima dos gases combustíveis. Por isto, devem ser tomados os seguintes cuidados com o cilindro de oxigênio. 1. Guarde o cilindro em local afastado de: • óleos; • graxas; • quaisquer substâncias combustíveis. 2. Conserve o cilindro longe de qualquer contato elétrico Fig. 3 Fig. 4 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem 76 – SENAI-RJ Cilindro para oxigênio Cilindro para oxigênio é um recipiente alongado, de aço bastante resistente (forjado) e sem costura. Maçarico É um aparelho que permite obter a chama através de uma temperatura muito elevada, pela combustão de um gás combustível com o oxigênio. Existem dois tipos de maçaricos: • de solda; • de corte (de baixa pressão). Maçarico de solda O maçarico de solda é um aparelho que faz parte do equipamento. Maçarico de baixa pressão É aquele em que é utilizado o acetileno, a uma pressão ligeiramente superior à pressão da atmosfera. Ele é usado em trabalhos mais leves e em metais, como cobre e chumbo. 1. tampa da válvula de oxigênio 2. volante de ajuste 3. válvula de segurança 4. saída da rosca direta 5. parede grossa 1 2 3 4 5 Fig. 5 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem SENAI-RJ – 77 Neste tipo de maçarico, o acetileno não chega até ele com a pressão necessária para uma boa soldagem. Então, o acetileno é aspirado pelo oxigênio por meio do injetor, que está adaptado na parte interna do misturador. Observe, ainda, na figura abaixo, o injetor ampliado. 1. conector da mangueira do acetileno 2. conector da mangueira do oxigênio 3. registro do acetileno 4. registro do oxigênio 5. punho 6. porca de fixação 7. misturador 1 2 4 6 7 5 3 A 1. passagem do oxigênio 2. passagem do acetileno 3. injetor 4. gases misturados 4 3 1 2 acetileno oxigêniogases misturados Partes componentes A. Corpo Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem 80 – SENAI-RJ Mangueira É um tubo flexivo, oco, de forma cilíndrica, destinada ao transporte de líquidos, de ar e de gases. A mangueira para o equipamento oxiacetilênico tem a finalidade de transportar os gases para o maçarico. Há dois tipos: a de oxigênio e a de acetileno, identificadas pelas cores que apresentam. Mangueira para oxigênio As cores que identificam a mangueira para oxigênio são o azul, o verde ou o preto. O diâmetro interior pode ter: 4 mm, 6 mm e 9 mm. Mangueira para acetileno A cor que identifica a mangueira para acetileno é o vermelho. O diâmetro interior pode ter 4 mm, 6 mm e 9 mm. Comumente, utilizam-se as mangueiras de 6 mm de diâmetro interno. Peças utilizadas para fixar as mangueiras • Braçadeira É uma peça usada para unir e prender as mangueiras. Ela é apertada por um parafuso e uma porca, sendo que seu diâmetro deve estar de acordo com o das mangueiras. 1. borracha natural ou sintética 2. tecido de nylon 1 2 1. braçadeira 2. parafuso 3. porca 12 3 Fig. 10 Fig. 11 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem SENAI-RJ – 81 Observe, nas figuras abaixo, o uso da braçadeira. • Braçadeira usada para unir as mangueiras de oxigênio e acetileno, para que elas não se separem. • Braçadeira usada para prender as mangueiras no regulador de pressão e também no maçarico, para que elas não se soltem. • Agulhas do maçarico É um instrumento de limpeza. Tem a finalidade de desobstruir os orifícios dos bicos a serem usados. Existem diversas espessuras de agulhas. A desobstrução e a limpeza dos orifícios dos bicos devem ser feitas com a agulha que se adapte aos orifícios. oxigênio acetileno braçadeira regulador de pressão braçadeiras mangueiras Fig. 12 Fig. 13 Fig. 14 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem 82 – SENAI-RJ • Regulador de pressão O regulador de pressão é um instrumento que permite: • reduzir a elevada e variável pressão do cilindro a uma pressão de trabalho adequada para soldagem; • manter essa pressão constante, durante a soldagem. De acordo com a pressão de trabalho do acetileno, temos três tipos: Alta pressão = quando o acetileno trabalha a uma pressão que varia entre 0,3 a 0,5 kg/cm2. Média pressão =quando o acetileno trabalha a uma pressão que varia entra 0,3 a 0,5 kg/ cm2. Baixa pressão = quando o acetileno é mantido a uma pressão comum. O regulador de pressão é acoplado em cada cilindro, isto é, um regulador de pressão ao cilindro de oxigênio e outro ao cilindro de acetileno. Observe os reguladores de pressão para o cilindro de acetileno (A) e para o cilindro de oxigênio (B). A B 1. válvula de segurança 2. manômetro de baixa pressão 3. manômetro de alta pressão 4. corpo do regulador de pressão 5. borboleta de ajuste 6. “niple” de acoplamento com o cilindro 7. “niple” de saída da mangueira 7 6 5 4 12 3 Fig. 15 Fig. 16 Fig. 17 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem SENAI-RJ – 85 4. Coloque as mangueiras nos conectores de acetileno e de oxigênio do maçarico de baixa pressão, apertando com a chave de boca adequada às porcas das mangueiras. Observações • A mangueira que conduz o acetileno é de cor vermelha e tem sua porca com rosca esquerda. • A mangueira que conduz o oxigênio é de cor azul, verde ou negra e tem sua porca com rosca direita. 5. Coloque as braçadeiras, ajustando-as nas mangueiras próximas ao “niple” de saída da mangueira dos reguladores de pressão e dos conectores do maçarico, com a chave de fenda. 6. Monte o maçarico de baixa pressão. a. Ajuste o bico manualmente, colocando-o em posição de trabalho. Fig. 21 Fig. 22 Fig. 23 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem 86 – SENAI-RJ 7. Regule a pressão de trabalho, abrindo as válvulas do cilindro e aperte os registros do acetileno e do oxigênio do maçarico. 8. Acenda o maçarico. a. Abra o registro de acetileno do maçarico dando ¼ de volta. 9. Elimine as pressões. a. Feche as válvulas dos cilindros. b. Afrouxe as borboletas de ajuste dos manômetros de pressão. c. Abra os registros do maçarico para tirar os gases que estão nas mangueiras e, em seguida, feche-os. Observação Deve-se seguir os mesmos passos para preparar equipamento oxiacetileno, com o maçarico de alta pressão. Durante a soldagem pode ocorrer, a qualquer momento, retrocesso de chama no maçarico, com risco de explosão. Neste caso, proceda do seguinte modo: 1. Feche o registro de oxigênio do maçarico. 2. Feche o registro de acetileno do maçarico. 3. Esfrie o maçarico, colocando-o num recipiente com água. 4. Retire o maçarico da água e abra o registro de oxigênio, para retirar a água que penetrou no maçarico. No processo da soldagem a ser realizada, faz-se necessário regular a chama do maçarico apropriado. A temperatura máxima de uma chama oxiacetilênica é de aproximadamente 3100ºC, situando-se nas proximidades da extremidade do dardo. Coloque os óculos. Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem SENAI-RJ – 87 Temperatura de combustão nas diferentes zonas de chama Regulagem da chama Neste processo de soldagem existem três tipos de chamas: • chama neutra; • chama oxidante; • chama redutora ou carburante. Chama neutra Alimentação em volumes iguais de oxigênio e acetileno. Esta chama é destruidora dos óxidos metálicos que se podem formar no decorrer da soldagem. Deve ser usada exclusivamente em soldas de tubos de cobre com tubos de cobre. Chama oxidante Chama com excesso de oxigênio, mais quente que a neutra. Conveniente para a soldagem do latão. dardo penacho 2.9500C 3.0500C 2.8500C 2.7000C 0 5 10 15 (cm) dardo azul claro brilhante chama azul celeste Fig. 24 Fig. 25 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem 90 – SENAI-RJ • Não incida a chama do maçarico sobre a vareta de solda. Basta deixar que a vareta derreta ao contato com o tubo aquecido. • Em seguida, retire a chama e a vareta. O aspecto externo da solda deve ser igual ao da figura acima. Se houver suspeita ou identificação de poros na soldagem, aqueça novamente o tubo, movimentando o maçarico de forma correta, depositando o mínimo necessário de solda. Método correto para soldagem de tubos de cobre com tubos de aço Para este tipo de soldagem são usadas as seguintes varetas de Solda Prata: 50%, 45%, 40%, 35% e 25%. Todas devem apresentar alta fluidez e trabalhar com a ajuda do fluxo. O fluxo tem função de: • limpar o local de penetração de solda; • desoxidar o locar da solda; • facilitar a penetração da solda; • indicar o momento certo para a aplicação da vareta de solda. O fluxo deve apresentar-se na forma pastosa ou em pó. Para esta soldagem deve ser usada a chama do tipo carburante ou redutora, com pequeno excesso de acetileno. limite de movimentação do maçarico aparência externa da soldagem Fig. 32 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem SENAI-RJ – 91 Seqüência da soldagem Antes de aquecer os tubos, deposite o fluxo sobre o local da soldagem. Aqueça com o maçarico tanto o tubo macho como o fêmea, sem incidir a chama diretamente sobre a porção de fluxo. Observações • Aquecer o tubo de aço um pouco mais que o tubo de cobre. • Imediatamente após ter aquecido os tubos e liquefeito o fluxo, aplique a ponta da vareta de solda no local da soldagem. • Assim que a vareta de solda começar a derreter, movimente o maçarico de forma correta, até que a solda penetre ente os tubos. • Não incida o maçarico diretamente na vareta; basta deixar que ela se derreta pela transmissão do calor dos tubos. • Em seguida, retire a chama do maçarico e a vareta. tubo de aço fluxo tubo de cobre limite de movimentação do maçarico fluxo liquefeito Fig. 33 Fig. 34 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Procedimentos para Soldagem 92 – SENAI-RJ O aspecto externo deve coincidir com o da figura acima. Havendo suspeita ou identificação de poros na soldagem, aqueça novamente o tubo, movimentando o maçarico e depositando o mínimo de solda. Ação da capilaridade Este é o fenômeno pelo qual o material de solda é introduzido na junção a ser soldada. O material de solda liquefeito tende sempre a fluir para o ponto mais quente da junta aquecida. A capacidade é causada pela atração entre as moléculas do material de base que se está soldando. Porém, isso ocorre somente quando: • a superfície a ser soldada está limpa; • a folga entre as partes a serem soldadas é correta; • a área das partes a serem soldadas está suficientemente aquecida para derretar o material de solda. aparência externa da soldagem vareta de solda Fig. 35 Fig. 36 Ciclo de refrigeração 6 Mecânico de Refrigeração Domiciliar II – Ciclo de Refrigeração SENAI-RJ – 97 Define-se refrigeração como sendo todo o processo de remoção de calor de um corpo, pela sua transferência a outro corpo de temperatura mais baixa. Em qualquer processo de refrigeração, o corpo que se emprega como elemento de absorção de calor ou como agente de resfriamento chama- se refrigerante. Teoricamente, qualquer fenômeno físico ou químico de natureza endotérmica pode ser aproveitado na produção do frio como, por exemplo: a fusão de sólidos, a mistura de certos corpos com água, a expansão de um gás, a vaporização de um líquido, que têm como característica a capacidade de absorver grandes quantidades de calor ao se vaporizar. Em capítulo anterior, verificou-se que grande parte dos refrigerantes “fervem” a baixas temperaturas em condições normais de pressão atmosférica. Refrigerante Tempo de ebulição a CNTP R - 12 - 29,8º C NH3 - 33,3º C R - 22 - 40,8º C • A refrigeração pode ser obtida usando um desses líquidos, sem necessidade de qualquer equipamento. • Um espaço isolado pode ser refrigerado, simplesmente permitindo que o refrigerante líquido se evapore, em um recipiente com saída para atmosfera. • Posto que o refrigerante 22 se encontre à pressão atmosférica, sua temperatura de ebulição é de - 40,8 º C. Ao vaporizar-se a esta temperatura, o R - 22 absorve calor facilmente do ar circundante ao recipiente, fazendo com que haja um abaixamento de temperatura do espaço isolado. A refrigeração continuará até que todo o líquido se evapore. Qualquer recipiente em que se vaporize um refrigerante, seja ele qual for, durante um processo de refrigeração, é chamado evaporador.