INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SUL-RIO- GRANDENSE CURSO DE FORMAÇÃO PEDAGÓGICA PARA GRADUADOS NÃO LICENCIADOS

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SUL-RIO-GRANDENSE

CURSO DE FORMAÇÃO PEDAGÓGICA PARA GRADUADOS NÃO LICENCIADOS

TRIANÁLISE DO POTENCIAL PEDAGÓGICO DO SIMULADOR COOLPACK

GUILHERME ALFREDO GENEHR

Venâncio Aires/RS 2021

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SUL-RIO-GRANDENSE

CURSO DE FORMAÇÃO PEDAGÓGICA PARA GRADUADOS NÃO LICENCIADOS

TRIANÁLISE DO POTENCIAL PEDAGÓGICO DO SIMULADOR COOLPACK

GUILHERME ALFREDO GENEHR

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Formação Pedagógica para Graduados Não Licenciados do Campus Venâncio Aires do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Licenciado na Educação Profissional e Tecnológica.

Orientador: Vinicius Carvalho Beck

Venâncio Aires/RS 2021

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1 RESUMO

O objetivo deste trabalho é analisar o simulador CoolPack sob o ponto de vista pedagógico, utilizando a ferramenta trianálise do potencial pedagógico através de simulações relacionadas a refrigeração, onde foram analisados a viabilidade técnica, o nível de aprofundamento e o índice de contato do simulador. Foram realizadas três simulações relacionadas a refrigeração. Verificou-se que o simulador é distribuído pela internet, de forma gratuita e não exige alto nível de hardware para sua execução. Ele ainda permite um alto nível de aprofundamento permitindo desde simulações mais simples até simulações complexas e ainda possui um bom índice de contato. Como conclusão, o simulador mostrou ter potencial como uma ferramenta pedagógica para auxiliar no ensino de refrigeração e exige do educador um aprofundamento e dedicação para articular a ferramenta com os objetivos de aprendizagem propostos.

Palavras-chave: coolpack; simulação de refrigeração; trianálise pedagógica; ferramentas digitais para o ensino.

ABSTRACT

The aim of this paper is the analysis of the CoolPack simulator from a pedagogical point of view, using a tool of trialysis of the pedagogical potential through simulations related to refrigeration, where the technical feasibility, the level of deepening and the contact index of the simulator were realized. Three simulations related to refrigeration were carried out. It was found that the simulator is distributed over the internet, free of charge and does not require a high level of hardware for its execution. It also allows a high level of depth allowing simpler simulations to complex simulations and still has a good contact index. In conclusion, the simulator proved to have potential as a pedagogical tool to assist in the teaching of refrigeration and requires from the educator a deepening and dedication to articulate tools with the proposed learning objectives.

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2 1. INTRODUÇÃO

Toda a análise de um sistema de refrigeração completo exige o conhecimento de termodinâmica e de mecânica dos fluidos. São temas bastante conceituais que demandam uma abstração por parte do estudante e dos professores. Parâmetros como pressão, temperatura, nível de energia do fluido (entalpia) não são visíveis de uma forma direta. São necessários instrumentos como manômetros e termômetros para medi-los e ainda ferramentas como tabelas termodinâmicas e diagramas de pressão versus entalpia para possibilitar a análise completa de um sistema de refrigeração.

A necessidade de abstração dos fenômenos termodinâmicos presentes em um sistema de refrigeração é uma das causas da dificuldade de aprendizado deste conteúdo. As equações matemáticas e os conceitos físicos definidos na teoria são ferramentas que o estudante utiliza para analisar o sistema, porém a experimentação através da medição de grandezas físicas potencializa a aprendizagem do funcionamento de tais dispositivos de refrigeração.

As bancadas didáticas de refrigeração auxiliam muito na construção do conhecimento nesta área. Permitem que o estudante aplique na prática, diversos dos conceitos estudados em sala de aula. Nas bancadas é possível medir a pressão e a temperatura do sistema em diversos pontos através de manômetros e termômetros. É possível medir também a corrente elétrica demandada por um compressor, a velocidade do ar impulsionado pelo ventilador do evaporador, dentre outras medidas. A partir destas medições se torna possível a realização de diversas análises dos sistemas. Porém, estas bancadas têm seus pontos negativos como a alta demanda de tempo de preparação e podem gerar riscos à saúde se os procedimentos de segurança não forem seguidos adequadamente. Os grupos de trabalho não podem ser muito grandes e o custo destes equipamentos é relativamente alto. Além disso, normalmente não permitem a alteração de alguns componentes do sistema de refrigeração, impedindo uma análise comparativa ou a simulação de um sistema projetado pelo estudante.

No mercado e na internet existem diversos aplicativos e simuladores virtuais específicos da área de refrigeração que auxiliam os profissionais da área. Alguns fabricantes de componentes de refrigeração disponibilizam de forma gratuita estes simuladores com o objetivo de auxiliar e facilitar a tomada de decisão destes profissionais. Estes mesmos aplicativos e simuladores servem como ferramentas didáticas nas práticas de refrigeração, auxiliando professores e contribuindo para o aprendizado dos estudantes. Além de fabricantes, pesquisadores, professores e profissionais elaboram e disponibilizam aplicativos para simulação de sistemas completos de refrigeração como é o caso do aplicativo chamado CoolPack, que é um conjunto de simuladores de sistemas de refrigeração. É muito utilizado em pesquisas e trabalhos de graduação e pós graduação em engenharia, além disso é

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3 utilizado como uma ferramenta em aulas do curso Técnico em Refrigeração e Climatização no IFSul, campus Venâncio Aires.

O objetivo geral deste trabalho é analisar o simulador CoolPack sob o ponto de vista pedagógico através de simulações relacionadas a refrigeração. Foram realizadas três simulações de processos de refrigeração utilizando os recursos disponíveis no aplicativo. Cada simulação seguiu um roteiro preestabelecido para permitir a avaliação por três critérios sendo, viabilidade técnica, nível de complexidade e índice de contato.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Para buscar trabalhos relativos a área pretendida e que pudessem ser utilizados como comparativo com a pesquisa proposta, foi utilizada a biblioteca científica online Scielo. Com o intuito de utilizar trabalhos atuais, foram filtrados artigos publicados entre os anos de 2019 e 2020.

Para iniciar a consulta à biblioteca, foi realizada uma pesquisa mais ampla, utilizando palavras-chave como educação e refrigeração, sem mencionar especificamente simuladores ou aplicativos educacionais na área de refrigeração. Com base nestes parâmetros, não foram encontrados resultados.

Em um segundo momento foi realizada uma pesquisa mais focada no assunto utilizando palavras-chaves tais como simulador, educação e software educacional, mantendo a seleção de artigos publicados entre 2019 e 2020. Com estes parâmetros foram encontrados vinte e seis resultados e dentre eles, foram selecionados os artigos de Cruz et al. (2019), de Fernandes e Moreira (2019) e de Lima et al. (2019). Também foram encontrados os artigos de Pagel, Candia e Beck (2020) e de Candia, Pagel e Beck (2020), publicados em anais do XXIX Congresso de Iniciação Científica de 2020.

Dentre os trabalhos pesquisados, observa-se o quanto os simuladores vêm auxiliando não somente nas práticas de ensino em escolas e universidades, mas também vêm sendo utilizados como ferramentas de análise de sistemas. A simulação permite uma antecipação de resultados e ainda permite modificações em determinados parâmetros com o objetivo de atingir o melhor resultado.

Cruz et al. (2019) desenvolveram um simulador didático para visualização de ondas de tensão em linhas de transmissão as quais são tratadas apenas de forma teórica através de equações matemáticas. O aplicativo permite a interação do usuário, uma vez que possibilita a alteração e configuração de parâmetros, contribuindo para o entendimento do assunto.

Fernandes (2019) apresentou uma proposta para facilitar a utilização de simuladores de fluidodinâmica, assunto amplamente estudado em disciplinas de mecânica dos fluidos e fenômenos dos transportes nos cursos de graduação em Engenharia e Física. O objetivo daquele trabalho foi

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4 elaborar uma interface para o software conhecido como CFD (Computational Fluid Dynamics), amplamente utilizado para estas simulações e que possui uma interface extremamente complexa exigindo conhecimento e experiência em programação básica. A interface desenvolvida pelos autores, além de ter facilitada a utilização do simulador, facilitou a compreensão do fenômeno físico.

Estes trabalhos tiveram como objetivo principal a utilização de simuladores para resolução de um determinado problema e ainda como um auxiliar no processo de aprendizagem. Porém não foram realizadas análises para verificar o seu potencial pedagógico como ferramenta de ensino.

Já os autores Lima et al. (2019), desenvolveram um aplicativo para dispositivos móveis e de acesso gratuito para análise de eletrocardiogramas (ECG). Eles avaliaram a sua usabilidade pelos estudantes através da análise baseada no modelo System Usability Scale (SUS) e avaliaram a sua aceitação por parte dos docentes para uso didático no ensino de medicina. Neste caso, foi aplicado um método de análise com o objetivo de verificar a efetividade do simulador. Os resultados foram positivos, com bastante aceitação pelos docentes e estudantes da área. Foi proposto como trabalho futuro a avaliação da sua efetividade em relação a absorção e retenção do conhecimento por parte dos usuários.

Os autores Pagel, Candia e Beck (2020), em um grupo de pesquisa, elaboraram uma ferramenta metodológica de análise de simuladores. A ferramenta é chamada de trianálise do potencial pedagógico devido aos três critérios utilizados que são a viabilidade técnica, os níveis de aprofundamento e o índice de contato. Esta ferramenta foi adaptada da metodologia apresentada por Schell (2008), o qual utiliza doze critérios para análise de jogos. A viabilidade técnica e os níveis de aprofundamento constituem sínteses de vários outros critérios descritos por Schell (2008). Já o índice de contato foi inteiramente pensado pelos autores. Em seu trabalho, os autores analisaram o simulador Gravidade e Órbitas utilizando a ferramenta de trianálise e constataram que o simulador é de fácil acesso, necessitando apenas de internet, possui um alto nível de complexidade, podendo ser utilizado em diversos níveis de ensino e ainda, possui um alto nível de contato, tornando o simulador não apenas uma ferramenta de demonstrações de fenômenos, mas um simulador com um viés diferenciado de ensino.

Já no trabalho de Candia, Pagel e Beck (2020), foi analisado o simulador Laboratório de Força Gravitacional disponível na plataforma PhET através da trianálise do potencial pedagógico, mesma plataforma utilizada no trabalho anterior desenvolvida pelo grupo de pesquisa que os autores constituem. Eles identificaram através da ferramenta de análise que o simulador apresenta um alto nível de contato, pois de forma bastante prática, o aplicativo permite a modificação de alguns parâmetros instantaneamente através de uma barra de deslizamento, permitindo a visualização dos

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5 fenômenos. O simulador é de fácil acesso, necessitando apenas de internet para sua utilização e permite simulações básicas e complexas, de acordo com os objetivos propostos pelo educador.

A metodologia de trianálise do potencial pedagógico se mostrou bastante eficaz nos trabalhos anteriores de acordo com os próprios autores. Ela foi utilizada em trabalhos que tiveram o mesmo objetivo, isto é, analisar um simulador do ponto de vista pedagógico. Para este trabalho, foi utilizada a mesma ferramenta da trianálise aplicada ao simulador Coolpack, específico da área de refrigeração.

3. REFERENCIAL TEÓRICO

Este trabalho tem como referencial teórico Kenski (2019), a educadora, pesquisadora e escritora que tem apresentado diversas reflexões relacionadas ao uso de tecnologias digitais na educação e o futuro da educação e novas aprendizagens com o avanço das tecnologias.

As tecnologias e o processo de aprendizagem sempre estiveram envolvidos no processo de desenvolvimento do ser humano enquanto sujeito que vive em sociedade. Conforme observado por Lévy (1998), a necessidade de sobrevivência gerou o desenvolvimento de tecnologias, e com isto, a necessidade de se aprender para então evoluir as ferramentas, modificando a forma da sociedade se organizar e consequentemente modificando a sua cultura.

Segundo Kenski (2019), as tecnologias modificam a forma de aprendizagem e para os educadores, é um desafio se apropriar destas ferramentas digitais e ainda aplicar de forma correta na educação. Ainda, segundo a autora, toda tecnologia requer além de seu domínio técnico, uma abordagem pedagógica diferenciada e voltada para a educação.

Kenski (2019) observa que as tecnologias digitais têm suas especificidades. Tecnologias Digitais da Informação e Comunicação (TDIC) tem como objetivo a transmissão de informações para grupos em forma de dados, vídeos, áudio dentre outras, a qualquer instante e em qualquer lugar. Tecnologias como simuladores e aplicativos específicos, trazem consigo a interação na construção do conhecimento, tornam o processo de aprendizagem mais dinâmico e interativo, despertando a curiosidade dos usuários. É necessário interagir e modificar parâmetros para se chegar em um resultado e a interação constrói o conhecimento. Portanto, o educador deve ter grande conhecimento destas ferramentas, além de articular os objetivos de ensino com o processo pedagógico através destas tecnologias.

4. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

O simulador CoolPack foi desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Técnica da Dinamarca em 1995. O objetivo do aplicativo é possibilitar a simulação de

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6 ciclos de refrigeração, análise de sistemas de refrigeração e dimensionamento de sistemas de refrigeração.

Os sistemas de refrigeração operam segundo um ciclo termodinâmico onde ocorre a compressão e expansão de uma substância química, conhecida como fluido refrigerante. O objetivo de um ciclo de refrigeração é transferir a energia na forma de calor do ambiente frio para o ambiente quente, contrariando o fluxo natural de equilíbrio de energia e para isso, é necessária a adição de trabalho ao sistema.

O fluido refrigerante, inicialmente no estado gasoso é comprimido pelo compressor, elevando a sua pressão e temperatura. Neste processo, uma determinada quantidade de massa de fluido é deslocada no sistema, gerando o fluxo do ciclo. Devido ao deslocamento da massa, o fluido entra no condensador.

O condensador é um trocador de calor que tem como objetivo remover a energia contida no fluido refrigerante, resfriando e convertendo o estado de gasoso para líquido no processo de condensação, daí o nome deste componente. O processo de condensação ocorre a uma pressão constante e consequentemente, temperatura constante, chamada também de temperatura de condensação. Na saída do condensador, o fluido se encontra no estado líquido, sob alta pressão, mas resfriado na temperatura chamada de temperatura de líquido. Este fluido se desloca, devido a diferença de pressão gerada pelo compressor, até a entrada do dispositivo de expansão.

O dispositivo de expansão pode ser um tubo capilar ou uma válvula de expansão termostática. Ambos têm o mesmo objetivo de separar a linha de alta pressão (saída do compressor e condensador) da linha de baixa pressão (evaporador e entrada do compressor). A separação das pressões ocorre devido à perda de carga, ou seja, dificuldade que este dispositivo gera à passagem do fluido refrigerante. O dispositivo de expansão funciona como um estrangulamento da rede, dificultando a passagem do fluido e se este equipamento não estiver bem dimensionado, não haverá uma diferença significativa de pressão e o ciclo termodinâmico não funciona.

O tubo capilar ou a válvula de expansão são instaladas imediatamente na entrada do próximo e último componentes básico de um sistema de refrigeração, o evaporador. O evaporador também é um trocador de calor que tem como objetivo transferir o calor do ar que escoa pela sua parte exterior para o fluido refrigerante que escoa pela parte interior. O fluido que escoa através do dispositivo de expansão entra no trocador de calor, onde a pressão é baixa e por este motivo expande e evapora, daí o nome de evaporador. Ao expandir por ter reduzido a pressão, o fluido refrigerante tem sua temperatura também reduzida e, portanto, volta a ter a capacidade de absorver o calor de uma fonte mais quente (o ar do ambiente). Durante o escoamento do fluido refrigerante no evaporador, ele passa

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7 do estado líquido para o estado gasoso por completo e é succionado pelo compressor, fechando assim o ciclo básico de refrigeração.

Este trabalho segue uma abordagem qualitativa e quantitativa, onde foram realizadas diferentes simulações de sistemas e ciclos de refrigeração no simulador CoolPack. A partir das simulações foi realizada uma análise do potencial pedagógico de simulações digitais baseada em três critérios. Denominamos este conjunto de procedimentos metodológicos como trianálise do potencial pedagógico. Os três critérios utilizados nesta análise são a viabilidade técnica, os níveis de aprofundamento e o índice de contato entre o usuário e o simulador.

No critério viabilidade técnica foram analisadas questões como o acesso ao software , se ele é gratuito ou pago e se é disponibilizado pela internet, através de download ou em formato físico como DVD ou pen drive. Também é avaliado a necessidade de hardware e ou periféricos para rodar o simulador e se pode ser utilizado em dispositivos móveis ou somente computadores pessoais.

O critério de aprofundamento se refere ao nível de complexidade que se pode atingir no simulador, o quanto o simulador pode reproduzir os efeitos reais de um sistema de refrigeração no caso. Este critério identifica qual a profundidade de estudo se pode adotar e em quais níveis de escolaridade o simulador pode ser levado em consideração .

O nível de contato consiste em medir, de forma quantitativa através de interações ou cliques, o quanto de conceito sobre determinado assunto o usuário desenvolverá a cada ação sua sobre o aplicativo. Qual a necessidade de o usuário conhecer ou pensar nos conceitos para cada clique ou inserção de parâmetro durante a realização da simulação. Este critério é medido pela proporção entre o número de cliques envolvendo o conceito e o número total de cliques para finalizar a simulação, sendo portanto, um percentual de contato com os conceitos propostos e para medição deste critério. Foi elaborado um roteiro para cada simulação analisada.

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Nesta seção são apresentados os procedimentos realizados em cada uma das simulações de forma detalhada, identificando as possibilidades, vantagens e desvantagens do simulador Coolpack. As análises são baseadas nos critérios definidos na metodologia: análise de viabilidade técnica, nível de aprofundamento e índice de contato. Ao final desta seção será realizada uma discussão relativa à aprendizagem por simulação utilizando o simulador Coolpack.

A viabilidade técnica se baseia nos requisitos necessários para utilização do simulador. Para a realização das simulações e análises, foi primeiramente realizado o download do software na versão atual 1.5. O simulador é disponibilizado de forma gratuita somente na língua inglesa, através do site

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8 de seu detentor IPU, uma empresa sem fins lucrativos e independente, fundada em 1956 por quatro professores da Universidade Técnica da Dinamarca (IPU,2020).

Os desenvolvedores sugerem que o simulador seja executado nos sistemas operacionais Windows 95 até Windows 7 e com uma resolução de cores de pelo menos 16 bit. Por ser um software desenvolvido na década de 1990, não é exigida uma alta capacidade de hardware e não são especificadas maiores exigências além de periféricos como um teclado e um mouse.

Segundo o próprio desenvolvedor IPU (2020), o CoolPack é um aplicativo baseado em um software comercial utilizado para solução de sistemas de equações não lineares, conhecido como EES (Engineering Equation Solver), (EES, 2020), o que torna a sua manutenção difícil. Portanto não estão sendo geradas atualizações e nem mesmo foi desenvolvida uma versão de 64 bits e versões para Linux e Mac, porém está sendo desenvolvido o simulador CoolTools que deverá substituir o CoolPack no futuro.

Neste trabalho o simulador foi executado em um computador notebook modelo 2020 com 8Gb de memória RAM e processador i-5 com sistema operacional Windows 10, apesar de estar disponível para Windows 95 até Windows 7. O software ocupou um espaço de 42Mb instalado e não possui versão para Android. O simulador rodou muito bem com esta configuração e não apresentou falhas ou lentidão.

Para avaliar os critérios de nível de aprofundamento e o índice de contato, foram realizadas três simulações seguindo um roteiro. A partir das simulações, foram observadas as possibilidades que o simulador permite ao usuário atingir. Também foram observadas as vantagens e desvantagens na utilização do aplicativo e o nível de contato, ou seja, o quanto o usuário aplica os conceitos relativos ao conteúdo durante a realização da simulação.

5.1 Simulação de um ciclo de refrigeração

Nesta simulação foram definidos os parâmetros básicos de um ciclo de refrigeração como o fluido refrigerante, a temperatura de evaporação (Tevap) e a temperatura de condensação (Tcond). A partir destas informações, o simulador plota no diagrama de pressão versus entalpia, o ciclo de refrigeração, conforme pode ser observado na Figura 1.

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9 Figura 1 - Sistema de refrigeração com uma temperatura de evaporação

Fonte: Simulação realizada pelo autor no CoolPack em 9 dez. 2020

No desenho do ciclo no diagrama, podemos obter informações visualmente para análise dos componentes do sistema como temperatura (T), pressão (p), entalpia (h), volume específico (v), entropia (s) e o título (x). Basta posicionar o cursor em qualquer ponto do diagrama e as informações podem ser lidas no canto inferior direito da tela. Além disso, foi possível obter informações mais precisas e detalhadas dos principais pontos do ciclo de refrigeração através da tabela de coordenadas, onde os pontos (1 e 6) se referem a sucção, (2 e 3) a descarga, (4) a condensação e (5) a evaporação, conforme observado na Figura 2.

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10 Figura 2 – Coordenadas dos pontos do ciclo de refrigeração

Definido o ciclo básico de refrigeração, o simulador apresenta na Figura 3, os resultados de capacidade de refrigeração (Qe), capacidade de condensação (Qc), coeficiente de performance do ciclo (COP), potência de acionamento (W) e a taxa de compressão, considerando o ciclo de Carnot, ou seja, com eficiência térmica máxima. Qualquer sistema real não pode ter uma eficiência melhor que este definido pelo teorema de Carnot.

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11 Figura 3 - Resultados da simulação do sistema de 1 estágio de compressão

A partir desta simulação, foi alterada nesta mesma aba, porém no quadro “Dimensioning”, a capacidade de refrigeração (Qe) para 100 kW, o aplicativo retornou com as demais informações neste quadro, indicando a capacidade de condensação (Qc), a vazão mássica de fluido refrigerante (m), a vazão volumétrica de fluido refrigerante (V) e a potência de acionamento (W) requerida pelo ciclo. Nesta simulação podem ser alterados quaisquer destes parâmetros citados e o simulador retorna com os demais. Isso proporciona ao usuário a possibilidade de visualizar instantaneamente os efeitos de cada alteração no ciclo, algo não praticável em sala de aula devido a necessidade de diversos componentes de capacidades diferentes e ainda, da necessidade de alteração de toda a instalação, gerando custos e demandando tempo.

Algumas das informações trazidas pelo simulador se tornam inviáveis dependendo do nível de ensino ou da pesquisa que estiver sendo desenvolvida. Para se ter a leitura da vazão mássica do fluido por exemplo, é necessário a aplicação de um instrumento de alto custo geralmente inviável para muitas escolas profissionalizantes. Instrumentos como estes eventualmente são encontrados em universidades que trabalham na linha de pesquisa desta área.

Para realizar esta simulação, foi necessário um total de 15 cliques, desde a inicialização do aplicativo, até o resultado. Destes cliques, 10 envolvem os conceitos de refrigeração, gerando assim um índice de contato de 66,7%.

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5.2 - Simulação e análise de um sistema de refrigeração de um estágio de compressão

Nesta simulação o usuário além de definir as características do ciclo de refrigeração, pode alterar parâmetros envolvendo a eficiência dos componentes do sistema. Em uma primeira tela, o usuário define os parâmetros, conforme pode ser observado na Figura 4.

Figura 4 - Parâmetros do ciclo de refrigeração

Os parâmetros definidos aqui, além das temperaturas de evaporação (TE) e de condensação (TC), foram os níveis de superaquecimento (∆TSH) e de subresfriamento (∆TSC), perda de carga nas tubulações (∆pSL e ∆pDL), eficiência do trocador de calor intermediário (SGHX), o fluido refrigerante, a capacidade de refrigeração (QE), eficiência isentrópica de compressão (ηS), o fator de perda de calor no compressor (fQ) e o superaquecimento útil na linha de sucção (∆TSH,SL). O simulador retornou com o Coeficiente de Performance (COP) do ciclo imediatamente, indicando a eficiência do sistema com as configurações definidas na simulação.

Neste tipo de simulação o usuário interage diretamente com alguns dos componentes de um sistema de refrigeração, podendo analisar os benefícios que as alterações causam no sistema. Muitas

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13 destas alterações são possíveis de serem realizadas na prática, mas não de uma forma simples e rápida e a simulação viabiliza esta experimentação virtual de uma forma muito prática.

Os resultados das modificações puderam ser visualizados diretamente no gráfico elaborado pelo aplicativo, clicando no botão “Home”, onde estão identificados todos os pontos de interesse do sistema, conforme pode ser observado na Figura 5.

Figura 5 - Eficiência do ciclo de refrigeração

Neste gráfico, é identificado visualmente através de cores, as regiões de baixa pressão e temperatura, pela cor azul e de alta pressão e temperatura pela cor vermelha, facilitando o entendimento do sistema. Para o usuário, estas identificações facilitam na sua orientação comparando com um sistema real.

Os pontos de 1 a 8, indicam informações como temperaturas (T), título do fluido refrigerante (x), capacidade de refrigeração (QE) e de rejeição de calor (QC) do ciclo. A simulação também indicou a vazão mássica de fluido (m) necessária para garantir estas capacidades e ainda a potência necessária para o acionamento do ciclo (W). Na prática, algumas destas informações são relativamente fáceis de se conseguir mensurando e outras são impossíveis, afetando a precisão do diagnóstico de um sistema de refrigeração real.

A simulação também apresentou as informações dos pontos de interesse em forma de uma tabela, identificando as temperaturas, pressão, entalpia e densidade. Ainda foram apresentadas

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14 informações adicionais como a taxa de compressão (p2/p1) e ainda a temperatura de descarga do compressor (T2). Estas informações foram apresentadas através da opção “State Points”, conforme a Figura 6.

Figura 6 – Informações dos pontos de interesse do sistema

Na tela “Auxiliary” foram definidos os parâmetros auxiliares do sistema de refrigeração como a eficiência volumétrica (ηVOL) e qual o incremento de temperatura na água aquecida pela temperatura de descarga do compressor (∆TWATER), conforme pode ser observado na Figura 7. Esta última opção é utilizada para aumentar a eficiência do sistema de refrigeração.

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15 Figura 7 – Parâmetros auxiliares do sistema de refrigeração

Ainda nesta tela, foi definido o tempo em horas de operação deste sistema e o simulador calculou o consumo de energia em kWh e as velocidades para as linhas de sucção, descarga e de líquido. O simulador retornou com os diâmetros recomendados para estas linhas baseados nas velocidades informadas, poupando horas de cálculos e possibilidade de erro humano.

Nesta simulação podemos observar a grande quantidade de parâmetros que podemos alterar. Desde a configuração básica do ciclo no qual é baseado o sistema de refrigeração, até a eficiência de alguns componentes que por consequência afetam a eficiência final do sistema. Estes parâmetros se tornam complexos de se realizar em laboratório, pois demandam materiais específicos e de alto valor, além de demandar uma gama muito grande de dispositivos diferentes, cada qual com suas características. A medição de parâmetros como eficiência de trocadores de calor, coeficiente de transmissão de calor são bastante complexas de medir, necessitando de horas de trabalho e de equipamentos caros e específicos.

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5.3 - Simulação e dimensionamento de um sistema de refrigeração de um estágio de compressão

Nesta simulação é possível definir os parâmetros básicos em que o sistema irá operar e especificar as características de cada componente do sistema como o evaporador, condensador, compressor e o trocador de calor intermediário. A simulação segue os mesmos parâmetros e opções da simulação e análise de um sistema de refrigeração apresentada anteriormente.

Inicialmente foram definidas as configurações do ciclo de refrigeração, os parâmetros de eficiência e as capacidades dos componentes e linhas do sistema. Definidos estes parâmetros, foi iniciado finalmente o dimensionamento do sistema, na aba “Dimensioning”, conforme pode ser observado na Figura 8.

Figura 8 – Dimensionamento de um sistema de refrigeração de um estágio

Nesta tela principal são apresentados os resultados oriundos dos parâmetros definidos para o ciclo e para cada um dos componentes do sistema. Ao lado esquerdo da tela, são apresentados os componentes que podem ser alterados e para esta simulação, foi modificado apenas o evaporador.

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17 Na tela do evaporador, foram alterados diversos parâmetros relacionados ao dimensionamento do equipamento, e relacionados às características dos fluidos primário e secundário, conforme pode ser observado na Figura 9.

Figura 9 – Configurações do evaporador

5.4 – Discussão sobre aprendizagem por simulação a partir do Coolpack

Todas as simulações realizadas no Coolpack poderiam ser realizadas fisicamente, utilizando os equipamentos emulados pelo simulador. No entanto, para realizar estes experimentos, seriam necessárias horas de trabalho de instalação, espaço adequado para tal, gerar as condições externas de acordo com o simulado e envolveria um grande valor monetário. Qualquer modificação no sistema implementado demandaria este tempo e dinheiro, tornando muitas das simulações inviáveis, principalmente para escolas. Além disso, são necessários equipamentos e instrumentos específicos e

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18 de custo elevado para realizar algumas mensurações, equipamentos estes inviáveis para escolas de nível médio profissionalizante e técnico, principalmente devido ao nível de estudos e pesquisas que se pode atingir. As simulações também possuem um viés de segurança, como observado por Candia, Pagel e Beck (2020), algumas simulações têm a vantagem de garantir a integridade física dos estudantes, não expondo os mesmos a riscos que poderiam ser gerados devido a algumas modificações e medições nas instalações.

Através da grande gama de informações e parâmetros que podem ser alterados, o simulador sugere uma simulação bastante realista. Inclusive as propriedades dos fluidos refrigerantes, que originam muitas das informações, são baseadas em artigos de pesquisadores da área como Lemmon (2003), Wagner, Marx e Pruβ (1993), Tillner-Roth, Harms-Watzenberg e Baehr (1993), Tillner-Roth e Baehr (1994). O software base utilizado para a elaboração do simulador foi desenvolvido inicialmente para resolução de sistemas algébricos e equações não lineares, conferindo ao Coolpack um nível de complexidade na resolução dos cálculos bastante alto, possibilitando que este simulador seja utilizado desde o nível de ensino médio técnico, devido a sua simplicidade de operação, até mesmo em pesquisas de ponta a nível de doutorado.

O índice de contato encontrado em cada simulação indica uma grande possibilidade de interação do usuário, pois na maioria das interações com o simulador existe um conceito relacionado ao assunto envolvido, incentivando o estudante analisar cada modificação no sistema. Na primeira simulação foi obtido um índice mais baixo, de 66,7%, porém cabe salientar que nesta simulação existem outras opções que influenciam neste índice. As demais simulações apresentaram índices de contato altos, de 86,2% e de 90,5%, respectivamente indicando a interação com os conceitos envolvidos nos fenômenos. A simulação contribui de forma significativa para o entendimento do assunto abordado, conforme observado também pelos autores Cruz et al. (2019), Fernandes (2019) e Lima et al. (2019).

O simulador Coolpack analisado neste trabalho através da ferramenta de trianálise do potencial pedagógico elaborada pelos autores Pagel, Candia e Beck (2020), mostrou ter um grande potencial para ser utilizado como ferramenta auxiliar no ensino de refrigeração, principalmente neste momento de necessidade de utilização do ensino remoto. O simulador apresenta inúmeras opções de alterações em um sistema de refrigeração podendo abordar desde um estudo mais simples, quanto mais complexo e sofisticado, porém, cabe ao educador se inteirar de uma forma aprofundada no assunto e principalmente no aplicativo

Cabe salientar a importância da estratégia a ser adotada pelo educador ao utilizar tais simuladores. Este tem o papel fundamental de articular objetivos para que os estudantes utilizem a simulação na construção do conhecimento. Não cabe ao educador apenas demonstrar a simulação,

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19 mas sim envolver o estudante na operação dos simuladores para chegar nos resultados propostos, para que estes então possam construir por si o conhecimento referente aos conceitos envolvidos nas simulações. Kenski (2019) defende em seus estudos que o profissional da educação deve se aprofundar na ferramenta digital sempre articulando as atividades desenvolvidas com o auxílio destas com os objetivos de aprendizagem propostos. Sem esta articulação proposta, o simulador se torna mais uma ferramenta demonstrativa.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir da trianálise do potencial pedagógico podemos considerar que o simulador de sistemas de refrigeração Coolpack é uma grande ferramenta no auxílio do ensino médio técnico profissionalizante. O aplicativo é distribuído de forma gratuita através da internet e pode ser executado em computadores de configurações comuns, sem a necessidade de periféricos específicos. O simulador suporta desde estudos em nível médio técnico quanto pesquisas mais complexas e sofisticadas sem alteração de sua interface, facilitando a interação por parte do usuário. Além disso, foi identificado um bom índice de contato, indicando uma interação direta com os conceitos relativos à refrigeração, facilitando o entendimento dos fenômenos e desenvolvendo a imaginação do estudante.

Neste momento em que o ensino remoto se tornou essencial na área da educação, os simuladores se mostram ótimas ferramentas para o ensino. Nos cursos técnicos, grande parte das atividades são práticas em oficinas e laboratórios, em que o estudante de fato tem a oportunidade de interagir com os equipamentos e ferramentas, porém devido a questões de saúde, durante a pandemia de coronavírus de 2020, estas atividades não estão podendo ser realizadas. Estas práticas podem ser substituídas em parte por simulações digitais, através da virtualização de atividades. O usuário tem a oportunidade de interagir com o simulador explorando diversos conceitos de qualquer local e a qualquer momento. Obviamente que as simulações não substituem em sua totalidade as atividades práticas e nem devem ter este propósito devido a fatores como o ganho de experiência no manuseio de ferramentas e montagem de equipamentos, mas auxiliam muito no entendimento dos conceitos que na prática não são visíveis devido à natureza dos fenômenos, contribuindo para a construção do conhecimento, desenvolvimento do raciocínio e de análises.

Todas as oportunidades que os simuladores trazem para o ensino precisam de uma dedicação e aprofundamento por parte dos educadores. Estes devem se apropriar das possibilidades propostas por estas ferramentas digitais e modificar a forma de ensinar. As ferramentas digitais exigem uma mudança na forma de abordar o assunto e os estudantes. Uma nova pedagogia deve ser construída e pensada para que se possa tirar maior proveito das tecnologias. As mudanças em função

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20 de efeitos externos como pandemia e saúde pública, a utilização de novos métodos pedagógicos, em conjunto com as ferramentas digitais estão trazendo uma mudança e evolução para a área da educação e todos envolvidos precisam se adequar a isso.

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