Determinação Experimental Do Coeficiente De Joule-Thomson Para O Ar

Introdução:

Quando há passagem de um fluido por um estrangulamento (redução no diâmetro da tubulação), ocorre uma queda de pressão, consequentemente, proporcionando uma diminuição ou aumento da temperatura, Efeito Joule-Thomson (decréscimo da temperatura de um gás em função da expansão sem realização de trabalho externo).

O coeficiente de Joule-Thomson é uma propriedade termodinâmica que relaciona temperatura e pressão, para um processo de estrangulamento tendo as seguintes características:

• Regime permanente;

• Processo adiabático;

• Variações de energias cinéticas e potenciais são desprezíveis;

• We = 0 (o processo não realiza trabalho).

A importância do coeficiente de Joule-Thomson é que ele pode ser medido experimentalmente e consequentemente ser usado para calcular outras propriedades termodinâmicas. Em um processo isentálpico, um coeficiente de Joule-Thomson maior que zero caracteriza um resfriamento e um coeficiente menor que zero caracteriza um aquecimento.

Objetivo:

• Medir e avaliar o efeito Joule-Thomson do ar atmosférico para várias pressões de entrada e saída;

• Determinar experimentalmente o valor do coeficiente de Joule-Thomson para o ar, visando obter resultados próximos aos valores dados na literatura.

Desenvolvimento teórico:

James Prescott Joule, juntamente com Lord Kelvin (então Sir William Thomson), desenvolveu o experimento do tampão poroso. Neste experimento, Figura 1, o gás a pressão constante p1 e temperatura T1 é forçado a escoar por um tampão (P), feito de material poroso, colocado no interior de um tubo isolado. O gás sai do outro lado do tampão no estado (p2,T2) após sofrer uma queda de pressão p1 - p2. Um efeito similar ocorre quando gás é induzido a passar por uma restrição em um tubo ou capilar

O coeficiente de Joule- Thomson é definido pela relação:

O coeficiente de Joule-Thomson, µj, é uma propriedade termodinâmica, definida para um processo: sob regime permanente, adiabático, com variações de energias cinéticas e potenciais desprezíveis e que não realiza trabalho. Logo se pode dizer que h2 = h1 para um processo de estrangulamento, isto é, a entalpia de entrada é igual a entalpia de saída. Para variações de temperatura T1 - T2 tendendo a zero tem-se:

Assim:

Se µJ >0 a temperatura cai durante o estrangulamento (região de resfriamento);

Se µJ < 0 a temperatura sobe durante o estrangulamento (região de aquecimento).

O valor numérico do coeficiente de Joule-Thomson também pode ser obtido pelo diagrama da Figura 2, ele é igual à inclinação da tangente da curva isentálpica no diagrama.

Figura 2 – Diagrama P, T

. A curva isentálpica exibe uma característica de máximo, mostrado na Figura 3. O estado ao qual corresponde esse máximo é conhecido como ponto de inversão, porque neste ponto o coeficiente de Joule-Thomson sofre uma inversão. Para pressões iniciais as quais são menores que as do ponto de inversão, pi, (p1 < pi), a temperatura do gás sempre diminui (T2<T1, μ>0) no estrangulamento, da mesma forma a pressão deve sempre decrescer. Para pressões p1 > pi, o gás sempre emerge mais quente (T2>T1, μ<0) no diferencial de Joule-Thomson experimental. O efeito integral de Joule- Thomson depende da perda de pressão total.

Desenvolvimento Prático:

O teste será no banco de ensaio mostrado na Figura 4, que esta no laboratório de maquinas térmicas da UNIFEI. O banco possui uma placa de estrangulamento no interior de um tubo e antes e depois do estrangulador têm-se dois manômetros e dois termopares, que servem para medir a pressão e temperatura do escoamento de ar. Uma válvula reguladora de vazão está localizada a montante para controle da pressão de saída. O sistema e alimentado por um tanque de ar comprimido a 10 bar de pressão.

Nota:

As pressões obtidas pelos manômetros estão em kgf/cm², portando devem ser convertidas para atm para o cálculo do coeficiente de Joule-Thomson.

Adotando 1atm = 1bar = 1,03323 kgf/cm²

Sabe-se ainda que: Pabs = Patm + Pman ,

Temos que: p2 – p1 = Δpabs ou P2 – P1 + (Pman – Patm) = ΔPman

Logo Δ pman = Δpabs.

Para o ar: T1>T2 Resfriamento durante o processo de estrangulamento.

Procedimento experimental:

Liga-se o compressor e aguarda-se que a pressão em seu reservatório atinja cerca de 8,0 Kgf/cm², então o registro da linha para o estrangulamento é aberta, esse registro é controlado