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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 2

CARGA HORÁRIA TOTAL: 45h CRÉDITOS: 03

EMENTA: Introdução: calor, primeira e segunda leis da termodinâmica, mistura ar-vapor d’água, carta psicrométrica, umidificação e desumidificação. Dados para o projeto. Cálculo da carga térmica. Meios de condução do ar. Ventilação e exaustão. Torres de arrefecimento e condensadores evaporativos. Controles automáticos. Instalações típicas.

DISTRIBUIÇÃO DO CONTEÚDO PROGRAMÁTICO, ATIVIDADES TEÓRICAS E AVALIAÇÕES.

Data Tipo Assunto

29/07 Teórica Capítulo 1 – Revisão de Transferência de Calor – Exercícios Capítulo 2 – Noções Refrigeração – Parte I - Exercícios

05/08 Teórica Capítulo 2 – Noções Refrigeração – Parte II - Exercícios

12/08 Teórica Capítulo 3 – Psicrometria – Parte I – Exercícios

Trazer 5 cópias da carta psicrométrica – Anexo 3

19/08 Teórica Capítulo 3 – Psicrometria – Parte II – Exercícios

Trazer 5 cópias da carta psicrométrica – Anexo 3

26/08 Teórica Capítulo 4 – Características dos sistemas de condicionamento de ar

02/09 Teórica Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica – Parte I – Exercícios

Trazer 5 cópias da planilha de Carga Térmica – Anexo 1

09/09 Teórica Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica – Parte II - Exercícios

16/09 Teórica Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica – Parte III – Exercícios Revisão para a Avaliação // Resolução de Exercícios

23/09 Avaliação 1ª Verificação – V1 (Valor: 8,0 pontos)

30/09 Teórica Vista de Prova Capítulo 6 – Meios de Condução do Ar - Exercícios

07/10 Teórica Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão – Parte I – Exercícios

Trazer 1 cópia de cada Ábaco – Anexo 4

14/10 Teórica Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão – Parte II - Exercícios

21/10 Teórica Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão – Parte III - Exercícios

04/11 Teórica Capítulo 8 – Torres de Arrefecimento e Condensadores Evaporativos

11/11 Teórica Capítulo 9 – Controle Automáticos

18/11 Teórica Revisão para a Avaliação // Resolução de Exercícios

25/11 Avaliação 2ª Verificação – V2 (Valor: 7,0 pontos)

16/12 Avaliação 3ª Verificação – V3 (Valor: 10,0 pontos)

Total 45 horas

Bibliografia Básica: CREDER, Hélio; Instalações de ar condicionado; 6ª edição; Rio de Janeiro. Ed. LTC; 2003; SILVA, J. de Castro, Refrigeração e Climatização para Técnicos e Engenheiros, Ed. Ciência Moderna COSTA, Ennio Cruz. Ventilação. 1ª edição. São Paulo. Ed. Edgard Blucher. 2005. Bibliografia Complementar: NBR 16401:2008 – Partes 1, 2 e 3. Instalações de ar-condicionado - Sistemas centrais e unitários. Rio de Janeiro: ABNT. DOSSAT, R. J. Princípios de Refrigeração. Ed. Hemus, 1980. MILLER, M. R.; MILLER, R. Refrigeração e Ar Condicionado. Rio de Janeiro: LTC, 2008. SILVA, J. G. Introdução à Tecnologia da Refrigeração e Climatização. São Paulo: Ed. ArtLiber, 2004. SILVA, R. B. Manual de Refrigeração e Ar Condicionado. São Paulo: FEI PUC, 1968.

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Capítulo 1 – Revisão de Transferência de Calor .......................................................................................................................... 7 1.1 Condução ................................................................................................................................................................... 8 1.2 Convecção .................................................................................................................................................................. 9 1.3 Radiação ................................................................................................................................................................... 10 1.4 Condução Unidimensional em regime estacionário .................................................................................................. 11 1.4.1 Distribuição de temperatura ................................................................................................................... 11 1.4.2 Resistência Térmica ............................................................................................................................... 12 1.4.3 A parede composta ................................................................................................................................ 13 Exercícios ....................................................................................................................................................................................... 14 Capítulo 2 – Noções de Refrigeração ......................................................................................................................................... 15 2.1 Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor ........................................................................................... 16

2.2 Sistemas de Refrigeração ......................................................................................................................................... 17 2.4.1 Sistema de compressão de vapor .......................................................................................................... 18 2.4.2 Sistema de refrigeração por absorção de vapor .................................................................................... 18 2.4.3 Sistema por expansão de ar .................................................................................................................. 19 2.4.4 Refrigeração por efeito termelétrico ....................................................................................................... 20

2.5 Gases Refrigerantes ................................................................................................................................................. 21 2.3.1 Nomenclatura dos Gases Refrigerantes ................................................................................................ 24

Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 25 Capítulo 3 – Psicrometria ............................................................................................................................................................ 26

3.1 Definições Fundamentais ......................................................................................................................................... 26 3.1.1 Ar seco ................................................................................................................................................... 26 3.1.2 Ar não saturado e ar saturado ................................................................................................................ 26 3.1.3 Umidade absoluta (UA) .......................................................................................................................... 27 3.1.4 Umidade Relativa (UR) .......................................................................................................................... 27 3.1.5 Temperatura de bulbo seco (TBS) ......................................................................................................... 27 3.1.6 Temperatura de bulbo úmido (TBU) ....................................................................................................... 27 3.1.7 Temperatura de orvalho ......................................................................................................................... 27 3.1.8 Psicrômetro ............................................................................................................................................ 28 3.1.9 Carta Psicrométrica ................................................................................................................................ 28

3.2 Processos Psicrométricos ......................................................................................................................................... 30 3.2.1 Aquecimento sensível (Aquecimento seco) ........................................................................................... 30

3.2.2 Resfriamento sem desumidificação (Resfriamento seco) ...................................................................... 30 3.2.3 Resfriamento com desumidificação ....................................................................................................... 31 3.2.4 Resfriamento e umidificação (Resfriamento evaporativo) ...................................................................... 31 3.2.5 Aquecimento e Umidificação .................................................................................................................. 32 3.2.6 Aquecimento e Desumidificação ............................................................................................................ 33 3.2.7 Mistura de ar .......................................................................................................................................... 33

3.3 Resfriamento pela evaporação ................................................................................................................................. 34 Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 36 Capítulo 4 – Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar .................................................................................. 37

4.1 Conforto Térmico ...................................................................................................................................................... 37 4.1.1 Metabolismo ........................................................................................................................................... 37

4.1.2 Condições de Conforto ........................................................................................................................... 38 4.2 Sistemas de Ar Condicionado ................................................................................................................................... 40 4.3 Tipos de Condensação ............................................................................................................................................. 41 4.4 Tipos de Instalações ................................................................................................................................................. 41

4.4.1 Condicionador de Ar do tipo Janela ....................................................................................................... 42 4.4.2 Condicionador de Ar Split-System ......................................................................................................... 44 4.4.3 Condicionador de Ar Centrais ................................................................................................................ 49 4.4.4 Condicionador de Água Gelada (Water Chiller) ..................................................................................... 51

4.5 Sugestões para a escolha do sistema de AC mais indicado .................................................................................... 53 4.5.1 Split-System ........................................................................................................................................... 53 4.5.2 Selfs a água gelada ................................................................................................................................ 53 4.5.3 Sistemas evaporativos ........................................................................................................................... 53

4.6 Escopo de Projetos de Ar Condicionado e Ventilação .............................................................................................. 53

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4.6.1 Estudo preliminar ................................................................................................................................... 53 10.2 Elaboração do anteprojeto ...................................................................................................................................... 53 10.3 Projeto definitivo ..................................................................................................................................................... 54 10.4 PMOC ..................................................................................................................................................................... 54 Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 54 Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica ....................................................................................................................................... 55

5.1 Cálculo da carga térmica simplificada ...................................................................................................................... 55 5.2 Cálculo da carga térmica sem simplificações ........................................................................................................... 60

5.2.1 Carga de condução ................................................................................................................................ 60 5.2.2 Carga devida à insolação – Calor sensível ............................................................................................ 62 5.2.3 Carga devida aos dutos ......................................................................................................................... 64 5.2.4 Carga devida às pessoas ....................................................................................................................... 65 5.2.5 Carga devida aos equipamentos ............................................................................................................ 66 5.2.6 Carga devida à infiltração ....................................................................................................................... 68 5.2.6.1 Método da Troca de Ar ......................................................................................................... 68 5.2.6.2 Método das Frestas .............................................................................................................. 69

5.2.7 Carga devida à ventilação ...................................................................................................................... 70 5.2.8 Carga Térmica total ................................................................................................................................ 71 5.2.9 Total de Ar insuflamento ........................................................................................................................ 71 5.2.10 Cálculo da absorção da umidade dos recintos .................................................................................... 72 5.2.11 Cálculo do calor latente ........................................................................................................................ 72 5.2.12 Cálculo do calor total usando a carta psicrométrica .............................................................................. 73 5.2.13 Determinação das condições do ar de insuflamento ........................................................................... 73 5.2.14 Preenchimento da Planilha do Cálculo da Carga Térmica Sem Simplificações .................................. 74 Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 78 Capítulo 6 – Meios de Condução do ar ....................................................................................................................................... 80

6.1 Dutos de chapas metálicas ....................................................................................................................................... 80 6.2 Métodos de dimensionamento de dutos ................................................................................................................... 81

6.2.1 Método da velocidade ............................................................................................................................ 82 6.2.2 Método da igual perda da carga ............................................................................................................. 83 6.2.3 Método da recuperação estática ............................................................................................................ 85

6.3 Perdas de pressão em um sistema de dutos ............................................................................................................ 85 6.3.1 Perdas de pressão estática (Pe) ............................................................................................................. 85 6.3.2 Perdas de pressão dinâmica (PV) .......................................................................................................... 85 6.3.3 Perdas de carga acidentais .................................................................................................................... 86 6.3.4 Pressão de resistência de um sistema de dutos (Pr) ............................................................................. 87

6.4 Isolamento e junção dos dutos ................................................................................................................................. 88 6.5 Dados práticos para o dimensionamento de dutos ................................................................................................... 88 6.6 Distribuição de ar nos recintos .................................................................................................................................. 89

6.6.1 Grelhas simples e com registros ............................................................................................................ 89 6.6.2 Escolha da altura da grelha de insuflamento ......................................................................................... 90 6.6.3 Distância entre as grelhas de insuflamento ........................................................................................... 91 6.6.4 Seleção e determinação da vazão de uma grelha ................................................................................. 91 6.6.5 Difusores de teto ou aerofuses .............................................................................................................. 92 Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 93 Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão ............................................................................................................................................. 94

7.1 Definições ................................................................................................................................................................. 94 7.1.1 Características de um ventilador ............................................................................................................ 94 7.2 Tipos de Ventiladores ............................................................................................................................................... 94 7.3 Trocas de ar nos recintos ......................................................................................................................................... 95 7.4 Velocidades recomendadas para o ar ...................................................................................................................... 96 7.5 Ventilação geral ........................................................................................................................................................ 96 7.5.1 Volume de ar a insuflar .......................................................................................................................... 97 7.5.2 Tipos de ventilação ................................................................................................................................ 97 7.5.3 Projeto de uma instalação de ventilação geral ....................................................................................... 98 7.5.4 Ventilação em residências ..................................................................................................................... 98

7.6 Exaustão ................................................................................................................................................................. 100 7.6.1 Captor ................................................................................................................................................... 100 7.6.2 Dutos de ar ........................................................................................................................................... 101 7.6.3 Ventilador ............................................................................................................................................. 102

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7.6.4 Chaminés ............................................................................................................................................. 102 Exercícios ...................................................................................................................................................................................... 103

Capítulo 8 – Torres de Arrefecimento e Condensadores Evaporativos ................................................................................ 104

8.1 Introdução ............................................................................................................................................................... 104 8.2 Torres de Arrefecimento ......................................................................................................................................... 104

8.2.1 Tabelas Climatológicas ........................................................................................................................ 107 8.2.2 Escolha de uma torre de arrefecimento ............................................................................................... 108 8.2.3 Perdas de água .................................................................................................................................... 110 8.2.4 Quantidade de água de circulação ....................................................................................................... 110 8.2.5 Escolha da Bomba d’água de circulação (BAC) .................................................................................. 110 8.2.6 Potência da Bomba d’água de circulação (BAC) ................................................................................. 111

8.3 Condensadores Evaporativos ................................................................................................................................. 111 8.3.1 Partes constituintes .............................................................................................................................. 111 8.3.2 Funcionamento ..................................................................................................................................... 111 8.3.3 Dados práticos gerais para os condensadores evaporativos ............................................................... 112

Exercícios ...................................................................................................................................................................................... 113

Capítulo 9 – Controles Automáticos ......................................................................................................................................... 114

9.1 Introdução ............................................................................................................................................................... 114 9.2 Sistemas de controles automáticos ........................................................................................................................ 114 9.3 Controles elétricos .................................................................................................................................................. 114 9.4 Diagramas de controle ............................................................................................................................................ 116

Referências Bibliográficas ........................................................................................................................................................ 120 Anexo 1 – Planilha para Cálculo da Carga Térmica Simplificada ................................................................................................ 121 Anexo 2 – Planilha de Cálculo estimado da carga térmica sem simplificações ........................................................................... 122 Anexo 3 – Carta Psicrométrica ..................................................................................................................................................... 125 Anexo 4 - Ábacos de Ventilação .................................................................................................................................................. 126

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TBS – Temperatura de Bulbo Seco (°C) TBU – Temperatura de Bulbo Úmido (°C) Q – Vazão (m³/h) A – Área (m²) k – Condutividade Térmica h – Coeficiente de transf. de calor por convecção ODP – Potencial de destruição da camada de ozônio GWP – Potencial de aquecimento global CFC – Cloroflúorcarbono HCFC –Hidrocloroflúorcarbono HC – Hidrocarbonetos P – Pressão (Pa) PC – Pressão de Condensação PO – Pressão de Evaporação L – Comprimento (m) – Umidade Específica (kg/kg de ar seco) – Umidade Relativa (%) h – Entalpia (kJ/kg de ar seco) Es – Eficiência de saturação (%) TPO – Temperatura do Ponto de Orvalho (°C) RCS – Razão de Calor Sensível s – Entropia (kJ/kgK) – Volume específico (m³/kg) qx – taxa de transferência de calor q‖x – Fluxo térmico C – Condutância térmica U – Coeficiente global de transf. de calor qS – Calor sensível qL – Calor latente CFM – pés cúbicos por minuto MCM – metros cúbicos por minuto MCH – metros cúbicos por hora FPM – pés por minuto MPM – metros por minuto GPM – galões por minuto TR – tonelada de refrigeração C.A. – coluna d’água 1 BTU = 1055,4 J 1 BTU/h = 0,2931 W 1 kcal = 3,968 BTU 1 TR = 12000 BTU/h 1 TR = 3024 kcal/h

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Uma simples definição, mas geral, fornece uma resposta satisfatória para a pergunta: O que é transferência de

calor?

Sempre que houver uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios, haverá, necessariamente,

transferência de calor [1]. Na figura 1.1 é apresenta os diferentes tipos de processos de transferência de calor por modos.

Condução através de um sólido ou fluido estacionário

Convecção de uma superfície para um fluido em movimento

Troca líquida de calor por radiação entre duas superfícies

Figura 1.1: Modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação [1]. O termo condução é utilizado quando existe um gradiente de temperatura em um meio estacionário e sólido. Já o termo convecção faz referência à transferência de calor que ocorrerá entre uma superfície e um fluido em

movimento quando eles estiverem a diferentes temperaturas. O terceiro modo, radiação térmica, consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz.

Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço.

Na figura 1.2 é apresentada uma ilustração com os três modos de transferências de calor agindo simultaneamente.

Figura 1.2: Mecanismos de transferência de calor. Fonte: http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-9.html

Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de

temperaturas no espaço.

Revisão de Transferência

de Calor

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1.1 Condução A condução está intimamente ligada aos conceitos de atividades atômicas e moleculares, pois são processos

nesses níveis que mantêm este modo de transferência de calor [1]. Pode ser vista como a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de

uma substância devido às interações entre partículas. Considere que a figura 1.3, é um gás, no qual exista um gradiente de temperatura.

Alguns exemplos de transferência de calor por condução: a extremidade exposta de uma colher de metal

subitamente imersa em uma xícara de café quente; No inverno, um quarto aquecido, há perda significativa de energia para o exterior.

É possível quantificar processos de transferência de calor em termos de equações de taxa apropriadas. Para a condução térmica, a equação da taxa é conhecida como lei de Fourier. Para uma parede plana

unidimensional, mostrada na figura 1.4, a equação da taxa é representada na forma:

Figura 1.4: Transferência de calor unidimensional por

condução [1].

Nas condições de estado estacionário mostradas na figura 1.3, com a distribuição de temperaturas linear, o

gradiente de temperatura pode ser representado como:

Com isso, o fluxo térmico pode ser escrito na forma:

A taxa de transferência de calor por condução, qx (W), é dada através da simples multiplicação da área da parede plana pelo fluxo térmico por condução, ou seja:

𝑞 𝑥 𝑘𝑑𝑇

𝑑𝑥

O fluxo térmico q‖x (W/m²) é a taxa de transferência de

calor na direção x por unidade de área perpendicular à direção da transferência e ele é proporcional ao gradiente de temperatura, dT/dx, nesta direção.

O sinal negativo é uma consequência do fato do calor

ser transferido na direção da temperatura decrescente.

(1.1)

(1.2)

(1.3)

Figura 1.3: Associação da transferência de calor por condução à difusão de

energia devido à atividade molecular [1].

(1.4)

Exemplo 1.1: A parede de um forno industrial é construída em tijolo refratário com 0,15 m de espessura, cuja condutividade térmica é de 1,7 W/(m.K). Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas paredes interna e externa, respectivamente. Qual é a taxa de calor perdida através de uma parede que mede 0,5 m por 1,2 m?

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1.2 Convecção O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos: movimento molecular aleatório

(difusão) e o movimento global do fluido. Este movimento do fluido está associado ao fato de que, em um instante qualquer, um grande número de moléculas está se movendo coletivamente ou como agregado. Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor.

Considere o escoamento de um fluido sobre a superfície aquecida da figura 1.5.

Figura 1.5: Desenvolvimento da camada limite na transferência de calor por convecção [1].

Uma consequência da interação entre o fluido e a superfície é o desenvolvimento de uma região no fluido

através da qual a sua velocidade varia entre zero, no contato com a superfície (y=0), e um valor infinito , associado ao escoamento do fluido. Essa região do fluido é conhecida por camada limite hidrodinâmica ou de velocidade.

Além disso, se as temperaturas da superfície e do fluido forem diferentes, existirá uma região no fluido através

da qual a temperatura variará de TS, em y=0, até T, associada à região do escoamento afastada da superfície.

Se TS > T, transferência de calor por convecção se dará da superfície para o fluido em escoamento. A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do

fluido.

Convecção forçada: quando o escoamento é causado por meios externos, tais como: um ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos;

Convecção natural (livre): o escoamento é induzido por forças de empuxo, que são originadas a partir de diferença de densidades (massas especificas) causadas por variações de temperatura no fluido.

A figura 1.6 ilustra esta classificação.

Figura 1.6: Processos de transferência de calor por convecção: (a) convecção forçada, (b) convecção natural.

Distribuição da

temperatura T(y) Distribuição da velocidade u(y)

Superfície aquecida

Componentes

quentes sobre

placas de

circuitos

impressos

Escoamento

forçado

Escoamento devido

às forças de empuxo

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 10

Foi descrito o modo de transferência de calor por convecção como a transferência de energia ocorrendo no interior de um fluido devido aos efeitos combinados da condução e do escoamento global do fluido. A energia que está sendo transferida é a energia sensível, ou térmica interna, do fluido. Contudo, há processos de convecção nos quais existe também a troca de calor latente. Essa troca de calor latente é geralmente associada a uma mudança de fase entre os estados líquidos e vapor do fluido. Dois casos particulares de interesse são a ebulição e a condensação.

Por exemplo, na figura 1.7 (a) mostra a transferência de calor por convecção resultante da movimentação do fluido induzida por bolhas de vapor geradas no fundo de uma panela contendo água em ebulição. Outro exemplo, é a condensação de vapor d’água na superfície externa de uma tubulação por onde escoa água fria, figura 1.7 (b).

Figura 1.7:(a) Ebulição e (b) Condensação [1].

Independemente da natureza específica do processo de transferência de calor por convecção, a equação

apropriada para a taxa de transferência possui a forma:

Onde q‖, o fluxo de calor por convecção (W/m²), é proporcional à diferença entre as temperaturas da

superfície e do fluido , TS e T, respectivamente. Essa expressão é conhecida como a lei do resfriamento de Newton, e o parâmetro h (W/(m².K)) é chamado de coeficiente de transferência de calor por convecção.

Quando a equação 1.5 é usada, o fluxo de calor por convecção é considerado positivo se o calor é transferido

a partir da superfície (TS > T) e negativo se o calor é transferido para a superfície (T>TS). Contudo, se T>TS, não existe nada que impeça a representação da lei de resfriamento de Newton por:

A tabela 1.1 são apresentados alguns valores para o coeficiente de transferência de calor por convecção.

Tabela 1.1: Valores típicos do coeficiente de transferência de calor por convecção [1].

Processo h (W/(m².K))

Convecção natural

Gases 2-25

Líquidos 50-1000

Convecção forçada

Gases 25-250

Líquidos 100-20.000

1.3 Radiação

A radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura não-nula. A energia do campo de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas.

Considere os processos de transferência de calor por radiação na superfície mostrados na figura 1.8. A radiação que é emitida pela superfície tem sua origem na energia térmica da matéria delimitada pela superfície e a taxa na qual a energia é liberada por unidade de área (W/m²) é conhecido como poder emissivo, E, da superfície.

Há um limite superior para o poder emissivo, que é determinado pela lei de Stefan-Boltzmann

Bolhas

de vapor Água

Placa quente

Ar úmido Gotas de

água

Água Fria

Figura 1.8: Troca por radiação

em uma superfície [1].

(1.5)

(1.6)

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Onde TS é a temperatura absoluta (K) da superfície e é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W/(m² . K4)). Tal superfície é chamada um radiador ideal ou corpo negro.

O fluxo térmico emitido por uma superfície real é menor do que aquele emitido por um corpo negro à mesma temperatura e é dado por:

Tabela 1.2: Resumo de processos de transferência de calor.

Modo Mecanismo(s) Equação da taxa Propriedade de transporte

ou coeficiente

Condução Difusão de energia devido ao movimento molecular aleatório

k (W/(mK))

Convecção

Difusão de energia devido ao movimento molecular aleatório acrescido da transferência de energia em função do movimento macroscópico (adevecção)

h (W/(m²K))

Radiação

Transferência de energia por ondas eletromagnéticas

Ou

hr (W/(m²K))

1.4 Condução Unidimensional em regime estacionário

Na condução de calor unidimensional em uma parede plana, a temperatura é uma função somente da

coordenada x e o calor é transferido exclusivamente nessa direção. Na figura 1.9, uma parede plana separa dois fluidos, que se encontram a diferentes temperaturas. A transferência de calor ocorre por convecção do fluido quente a , para uma superfície da parede a ,

por condução através da parede e por convecção da outra superfície da parede a para o fluido frio a .

Figura 1.9: Transferência de calor através de uma parede plana. (a) Distribuição de temperaturas; e (b) Circuito térmico

equivalente [1].

1.4.1 Distribuição de temperatura

A distribuição de temperaturas na parede pode ser determinada através da solução da equação do calor com

as condições de contorno pertinentes.

(1.7)

(1.8)

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 12

Nota-se que a condução unidimensional em regime estacionário em uma parede plana sem geração de calor e com condutividade térmica constante, a temperatura varia linearmente com x, ou seja, varia com de acordo com a espessura da parede.

Aplicando a lei de Fourier para determinar a taxa de transferência de calor por condução, tem-se:

( )

Note que A é área da parede normal à direção da transferência de calor e, na parede plana, ela é uma constante independente de x.

1.4.2 Resistência Térmica Da mesma forma que uma resistência elétrica está associada à condução de eletricidade, uma resistência

térmica pode ser associada à condução de calor. Definindo resistência como a razão entre um potencial motriz e a correspondente taxa de transferência,

através da equação 1.9 que a resistência térmica para a condução em uma parede plana é:

Uma resistência térmica pode também ser associada à transferência de calor por convecção em uma

superfície. A partir da lei do resfriamento de Newton:

A resistência térmica para a convecção é, então,

O circuito térmico equivalente para a parede plana com condições de convecção nas duas superfícies é

mostrada na figura 1.9 (b). A taxa de transferência de calor pode ser determinada pela consideração em separado de cada elemento da

rede. Uma vez que qX é constante ao longo da rede, segue-se que:

Em termos de diferença de temperaturas global, , e da resistência térmica total, , a taxa de

transferência de calor pode também ser representada por:

Como as resistências condutiva e convectiva estão em série e podem ser somadas, tem-se que:

A troca radiante entre a superfície e a vizinhança pode, também, ser importante se o coeficiente de

transferência de calor por convecção for pequeno (como é frequentemente na convecção natural em um gás). Uma resistência térmica para a radiação pode ser definida tendo-se como referência a equação:

(1.9)

(1.13)

(1.10)

(1.11)

(1.12)

(1.14)

(1.15)

(1.16)

(1.17)

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1.4.3 A Parede Composta

Circuitos térmicos equivalentes também podem ser usados em sistemas mais complexos, como, por exemplo, paredes compostas. Tais paredes podem possuir uma quantidade qualquer de resistências térmicas em série e em paralelo, devido à presença de camadas diferentes materiais.

Seja a parede composta, em série, mostrada na figura 1.10, a taxa de transferência de calor unidimensional para esse sistema pode ser representado por:

Onde é a diferença de temperatura global e o somatório inclui todas as resistências térmicas.

Logo:

[ ]

Figura 1.10: Circuito térmico equivalente para uma parede composta em série [1].

Em sistema compostos, é frequentemente conveniente o trabalho com um coeficiente global de transferência

de calor, U, que é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton. Assim:

Onde é a diferença de temperatura global. O coeficiente global de transferência de calor está relacionado

à resistência térmica total e, a partir das equações 1.19 e 1.20, verifica-se que UA=1/RTOT. Portanto, para a parede composto da figura 1.10:

[ ]

Em geral, pode-se escrever:

(1.20)

(1.19)

(1.18)

(1.21)

(1.22)

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1. Informa-se que a condutividade térmica de uma folha de isolante extrudado rígido é igual k=0,029 w/(mK). A diferença de temperaturas medida entre as superfícies de uma folha com 20 mm de espessura deste material é T1 – T2 = 10 °C. a) Qual é o fluxo térmico através de uma folha do isolante com 2,0 m x 2,0 m? b) Qual é a taxa de transferência de calor através da folha de isolante? 2. O fluxo térmico através de uma lâmina de madeira, com espessura de 50 mm, cujas temperaturas das superfícies sãod e 40 e 20°C, foi determinado como de a 40W/m². Qual é a condutividade térmica da madeira? 3. As temperaturas interna e externa de uma janela de vidro com 5 mm de espessura são de 15 e 5°C. Qual é a perda de calor através de uma janela com dimensões de 1 m por 3 m? A condutividade térmica do vidro é de 1,4 W/(mK). 4. Uma câmara de congelador é um espaço cúbico de lado igual a 3 m. Considere que a sua base seja perfeitamente isolada. Qual é a espessura mínima de um isolamento à base de espuma de estireno (k=0,030 W/(mK)) que deve ser usada no topo e nas paredes laterais para garantir uma carga térmica menor do que 500 W, quando as superfícies interna e externa estiveram a -10°C e 35°C? 5. Um aquecedor elétrico encontra-se no interior de um longo cilindro de diâmetro igual a 30 mm. Quando água, a uma temperatura de 25°C e velocidade 1 m/s, escoa perpendicularmente ao cilindro, a potência por unidade de comprimento necessária para manter a superfície do cilindro a uma temperatura uniforme de 90°C é de 28kW/m. Quando ar, também a 25°C, mas a uma velocidade de 10 m/s está escoando, a potência por unidade de comprimento necessária para manter a mesma temperatura superficial é de 400W/m. Calcule e compare os coeficientes de transferência de calor por convecção para os escoamentos da água e do ar. 6. O vidro traseiro de um automóvel é desembaçado pela fixação de um aquecedor em película, fino e transparente,

sobre a sua superfície interna. Aquecendo eletricamente este elemento, um fluxo térmico uniforme pode ser

estabelecido na superfície interna. Para um vidro com 4 mm de espessura, determine a potência elétrica, por

unidade de área do vidro, necessária para manter uma temperatura na superfície interna em 15°C, quando a

temperatura do ar no interior do carro e o coeficiente convectivo são T,i= 25°C e hi = 10 W/(m²K), enquanto a

temperatura e o coeficiente convectivo no ar exterior (ambiente) são T,e = - 10°C e he = 65 W/(m²K).

7. Uma janela de vidro, com 1 m de largura e 2 m de altura, tem espessura de 5 mm e uma condutividade térmica

de kv= 1,4 W/(m.K). Se em um dia de inverno as temperaturas das superfícies interna e externa do vidro são de

15°C e -20°C, respectivamente, qual é a taxa de calor através da janela, é costume usar janelas de vidro duplo nas

quais as placas de vidro são separadas por uma camada de ar. Se o afastamento entre as placas for de 10 mm e as

temperaturas das superfícies do vidro em contato com os ambientes estiverem nas temperaturas de 10°C e -15°C,

qual é a taxa de perda de calor em uma janela de 1m x 2m? A condutividade térmica do ar é ka = 0,024 W/(m.K).

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Uma simples definição, sobre refrigeração, é que seu objetivo é remover o calor de um corpo. O calor é uma

forma de energia que o homem não pode destruir. Por isso, ao ser removido, o calor é transferido de um local onde não é desejado para outro onde não incomoda.

O estudo apresentado aqui será dedicado ao condicionamento de ar para o verão. Na figura 2.1 um recinto é condicionado cuja temperatura interna é Ti, a temperatura externa é TE, calor que entra no recinto representado por QE, o calor gerado ou existente no recinto QG e calor total Q, uma vez que TE > Ti.

Figura 2.1 – Balanço térmico de um recinto. Adaptado: [2]

Realizando o balanço térmico do recinto mostrado na figura 2.1, tem-se a seguinte equação:

Com isso, o equipamento de refrigeração deverá retirar o calor e mais o calor devido às perdas no processo. Refrigeração é o termo usado quando o sistema é mantido a uma temperatura mais baixa que a vizinhança.

Como a tendência do calor é penetrar no recinto, por diferença de temperatura, a quantidade de calor deve ser retirada do sistema para manter a sua temperatura Ti.

Na figura 2.2 o diagrama de um ciclo de refrigeração a compressão de vapor.

Figura 2.2: Ciclo de refrigeração a compressão de vapor.

Ti

TE

Q

QE

QG

Recinto Condicionado

Equipamento

frigorígeno

(2.1)

Noções de Refrigeração

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Também pode-se representar o ciclo de refrigeração num diagrama T-S, conforme figura 2.3.

Figura 2.3: Diagrama T-S do ciclo de refrigeração. [3]

O efeito da retirada do calor do sistema é efetuado pelo evaporador entre os pontos 2-3, pois para se efetuar

a evaporação do fluido necessita-se do ―calor latente de vaporização‖. A quantidade de calor rejeitado e de calor absorvido é obtida através da área correspondente no diagrama.

Exemplo 2.1: Em um ciclo Carnot, os processos ocorrem às seguintes temperaturas e entropias:

Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo? 2.1 Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor

Um ciclo térmico real qualquer deveria ter para

comparação o ciclo de CARNOT, por ser este o ciclo de maior rendimento térmico possível. Entretanto, dado as peculiaridades do ciclo de refrigeração por compressão de vapor, define-se um outro ciclo que é chamado de ciclo teórico, no qual os processos são mais próximos aos do ciclo real e, portanto, torna-se mais fácil comparar o ciclo real com este ciclo teórico (existem vários ciclos termodinâmicos ideais, diferentes do ciclo de Carnot, como o ciclo ideal de Rankine, dos sistemas de potência a vapor, o ciclo padrão ar Otto, para os motores de combustão interna a gasolina e álcool, o ciclo padrão ar Brayton, das turbinas a gás, etc). Este ciclo teórico ideal é aquele que terá melhor performance operando nas mesmas condições do ciclo real.

Figura 2.4: Ciclo teórico de refrigeração por compressão de

vapor. [5]

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A Figura 2.4 mostra um esquema básico de um sistema de refrigeração por compressão de vapor com seus principais componentes, e o seu respectivo ciclo teórico construído sobre um diagrama de Mollier, no plano P-h. Os equipamentos esquematizados na Figura 2,4 representam, genericamente, qualquer dispositivo capaz de realizar os respectivos processos específicos indicados.

Os processos termodinâmicos que constituem o ciclo teórico em seus respectivos equipamentos são: a) Processo 1→2. Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático reversível e, portanto, isentrópico,

como mostra a Figura 2,4. O refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (Po) e com título igual a 1 (x =1). O refrigerante é então comprimido até atingir a pressão de condensação (Pc) e, ao sair do compressor está superaquecido à temperatura T2, que é maior que a temperatura de condensação TC.

b) Processo 2→3. Ocorre no condensador, sendo um processo de rejeição de calor, do refrigerante para o meio de resfriamento, à pressão constante. Neste processo o fluido frigorífico é resfriado da temperatura T2 até a temperatura de condensação TC e, a seguir, condensado até se tornar líquido saturado na temperatura T3, que é igual à temperatura TC.

c) Processo 3→4. Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão irreversível a entalpia constante (processo isentálpico), desde a pressão PC e líquido saturado (x=0), até a pressão de vaporização (Po). Observe que o processo é irreversível e, portanto, a entropia do refrigerante na saída do dispositivo de expansão (s4) será maior que a entropia do refrigerante na sua entrada (s3).

d) Processo 4→1. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de calor a pressão constante (Po), consequentemente a temperatura constante (To), desde vapor úmido (estado 4), até atingir o estado de vapor saturado seco (x=1). Observe que o calor transferido ao refrigerante no evaporador não modifica a temperatura do refrigerante, mas somente muda sua qualidade (título).

2.2 Sistemas de refrigeração

Os meios artificiais reduzem a temperatura de uma substância mediante o consumo de energia sob um

princípio de funcionamento característico do tipo de processo de refrigeração. A Tabela 2.1 apresenta um resumo dos processos mais comuns, seus princípios de funcionamento e aplicações típicas. Inicialmente, a refrigeração artificial foi usada para produzir gelo e reduzir a dependência das condições climáticas. Embora os sistemas de expansão de ar, de absorção e de compressão mecânica de vapor estivessem disponíveis, suas utilizações em instalações comerciais e residenciais eram inviabilizadas pelos custos elevados e riscos que representavam aos usuários.

Tabela 2.1: Processos de refrigeração, princípios de funcionamento e aplicações típicas.

Processos Princípio de funcionamento Aplicações típicas

Compressão mecânica de vapor

Um fluido volátil (refrigerante primário) recebe calor e evapora em baixa pressão e temperatura.

Aparelhos de ar condicionado de janela, refrigeradores domésticos, sistemas comerciais e industriais de grande

porte.

Absorção de vapor O vapor de um fluido volátil, absorvido por outro

fluido em baixa pressão e temperatura, é destilado da solução sob alta pressão.

Em pequenos refrigeradores domésticos e em instalações de

refrigeração e ar condicionado de grande porte.

Efeito termelétrico Uma corrente elétrica atravessa uma junção de dois metais diferentes (efeito Peltier)e produz

resfriamento.

Pequenos instrumentos de medição, como os existentes para medir o ponto

de orvalho do ar, e equipamentos eletrônicos.

Expansão de ar O ar em alta pressão, sofre expansão adiabática e

realiza trabalho sobre um pistão, tem sua temperatura reduzida.

Resfriamento de aeronaves.

Após a Segunda Guerra Mundial (1939–1945) a indústria da refrigeração consolidou-se. Dois fatores foram determinantes: primeiro, o desenvolvimento, em 1930, dos refrigerantes cloro-fluor-carbono (CFC’s) que apresentavam índices baixos de toxicidade e periculosidade, adequados às instalações residenciais e comerciais; segundo, o surgimento do sistema selado de pequeno porte, com baixos custos de aquisição e operação, pois exigia pouca manutenção.

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2.2.1 Sistema de compressão de vapor A Figura 2.5 mostra o esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor. Os

componentes principais são: evaporador, compressor, condensador e dispositivo de expansão. No evaporador, a mistura líquido-vapor em baixa pressão remove calor da substância que se quer resfriar. Essa transferência de calor faz com que o líquido evapore. O compressor aspira vapor formado no evaporador, numa taxa suficiente para manter a pressão de evaporação, e o comprime até que sua temperatura seja maior do que a do fluido de resfriamento que escoa no condensador. No condensador, o vapor refrigerante rejeita calor para o fluido de resfriamento e liquefaz na pressão de condensação correspondente. No dispositivo de expansão, a pressão do líquido é reduzida até a pressão de evaporação para que ele possa ser reaproveitado no ciclo. O dispositivo de expansão é um controle de fluxo do refrigerante, que mantém a diferença de pressão entre o condensador (lado de alta pressão) e o evaporador (lado de baixa pressão) do sistema.

Figura 2.5: Esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor. [6]

2.2.2 Sistema de refrigeração por absorção de vapor

Uma forma de remover o vapor da superfície de um líquido é absorvendo−o por meio de uma substância com

a qual ele reaja quimicamente e nela se dissolva facilmente: o vapor d’água é absorvido rapidamente pelo ácido sulfúrico.

Este princípio foi usado em 1810 por John Leslie para produzir gelo artificialmente. Ele usou dois vasos conectados por um tubo: um contendo água e o outro ácido sulfúrico forte. Com o passar do tempo uma fina camada de gelo formava−se na superfície da água: a água evaporava pela redução da pressão de vapor sobre ela, que removia entalpia de vaporização do restante que permanecia líquido; a temperatura caía e a água congelava. Uma bomba de vácuo podia ser usada para remover o vapor formado e acelerar o processo.

O método de Leslie tornou–se a base de várias máquinas comerciais para fabricação de pequenas quantidades de gelo. Entretanto, havia a necessidade de recargas periódicas de ácido sulfúrico. Para operar ininterruptamente havia necessidade de aspiração contínua de ácido sulfúrico do recipiente, de modo que a solução fosse concentrada por ebulição.

Um equipamento desse tipo foi projetado por Windhausen em 1878 e obteve algum sucesso comercial, porém, nunca foi muito popular. Era usado para fabricar gelo e resfriar água. Neste sistema, a água atuava como refrigerante; o ácido sulfúrico era denominado absorvente.

A Figura 2.6 mostra o esquema e os principais componentes do sistema de absorção. Comparando as Figuras 2.5 e 2.6, verifica−se que o condensador, o evaporador e a válvula de expansão existem em ambos os sistemas. Entretanto, o compressor é substituído por um conjunto composto de absorvedor, bomba de solução forte, trocador de calor e gerador.

Esse conjunto retira o vapor em baixa pressão do evaporador e o entrega em alta pressão no condensador, tal qual faz o compressor. O absorvedor é alimentado com a solução fraca de água–amônia que absorve o vapor de amônia. A absorção da amônia pela água é um processo que libera grande quantidade de calor, e, se nenhum resfriamento for providenciado, a temperatura aumenta e o processo de absorção cessa. Geralmente, a mesma água usada para resfriar o condensador resfria antes o absorvedor, vinda de uma torre de resfriamento. A solução forte, formada no absorvedor, tem sua pressão elevada pela bomba e é descarregada no gerador depois de passar no trocador de calor. No gerador, a solução forte é aquecida e o vapor produzido é então retificado para que amônia

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quase pura seja descarregada no condensador. A solução fraca que é formada está quente. Por isso, um trocador de calor é interposto entre o gerador e o absorvedor a fim de aquecer a solução forte até a temperatura do gerador e resfriar a solução fraca até a temperatura do absorvedor. Para manter a diferença de pressão entre o gerador e o absorvedor é instalada uma válvula na tubulação da solução fraca um pouco antes da entrada do líquido no absorvedor.

Figura 2.6: Principais componentes do sistema de refrigeração por absorção. [6]

A Figura 2.7 mostra o esquema da máquina de refrigeração por absorção de vapor usando a solução de

brometo de lítio−água. O brometo de lítio (Li-Br) puro é sólido e se misturado adequadamente com água forma uma solução aquosa homogênea. Nesse caso, a água é o refrigerante e a solução de brometo de lítio o absorvente. O funcionamento é semelhante ao do sistema água−amônia. Entretanto, como o brometo de lítio não é volátil, na saída do gerador forma–se somente vapor d’água tornando dispensável o uso do retificador. Máquinas modernas, baseadas no esquema da Figura 2.7, reúnem o gerador com o condensador e o evaporador com o absorvedor, resultando em equipamentos compactos de custo reduzido e alta eficiência. O sistema de brometo de lítio é indicado para obtenção de água gelada em sistemas de ar condicionado de grande porte (100 a 1.200 TR).

Os primeiros sistemas por absorção de vapor usavam o carvão como combustível para aquecimento do gerador; eventualmente, vapor quente proveniente de uma caldeira era utilizado. Atualmente, esses sistemas queimam gás natural ou óleo combustível para gerar calor. O aproveitamento de energia residual de outros sistemas térmicos também está sendo muito difundido em sistemas de co-geração.

Figura 2.7: Esquema do sistema de absorção com solução de H2O-LiBr. [6]

2.2.3 Sistema por expansão de ar

Quando o ar em alta pressão é expandido adiabaticamente, de modo que realize trabalho sobre um pistão, sua temperatura é reduzida em decorrência da redução de sua energia interna. Esse princípio, conhecido desde o século 18, foi usado em 1828 por Richard Trevithick para descrever um processo de refrigeração. A figura 2.8 mostra o princípio de funcionamento da máquina de refrigeração de expansão de ar com ciclo aberto.

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O ar da câmara fria é conduzido para o interior de um cilindro onde é comprimido. Durante o processo a temperatura do ar aumenta com o aumento da pressão. O ar quente passa então através de um trocador de calor onde sua temperatura é reduzida pela água de resfriamento. O ar comprimido é expandido dentro de um cilindro realizando trabalho sobre o pistão e tem sua temperatura reduzida. O ar frio é descarregado na câmara onde resfria os produtos armazenados. O trabalho realizado pelo ar sobre o cilindro de expansão é usado para fornecer parte do trabalho necessário à movimentação do compressor. A máquina a vapor usada para movimentar o compressor era montada geralmente na mesma base dos cilindros de compressão e de expansão e estava diretamente acoplada neles. O sistema aberto foi, por mais de 20 anos, o principal método de refrigeração do setor naval, e durante esse tempo ele foi melhorado em diversos aspectos.

Figura 2.8: Esquema simplificado do ciclo aberto de refrigeração por expansão de ar.[6]

Atualmente, o sistema de expansão de ar com turbo-expansor é usado para resfriar cabinas de aeronaves.

Uma vantagem deste sistema é que ele não utiliza partes móveis tipo cilindro−pistão para comprimir e expandir o ar. A Figura 2.9 mostra seu esquema. No ponto 0, o ar ambiente em velocidade subsônica, que circunda a

aeronave em alta altitude, é forçado para dentro da turbina e sua pressão aumenta do ponto 0 ao ponto 1. O ar é comprimido até o ponto 2, elevando sua temperatura. No trocador de calor, o ar aquecido do ponto 2 libera calor para a corrente de ar extraída pelo ventilador, alcançando o ponto 3. Ao passar pelo turbo–expansor tem sua temperatura reduzida até o ponto 4, e então é descarregado na cabina para resfriar a aeronave. Depois de remover calor da cabina o ar é descarregado na atmosfera. Isto caracteriza um ciclo aberto, visto que nenhum ar é recirculado.

Figura 2.9: Sistema de expansão de ar usado em resfriamento de cabines de aeronaves. [6]

2.2.4 Refrigeração por efeito termelétrico Este método de refrigeração é baseado numa descoberta de Peltier em 1834: quando uma corrente elétrica

percorre um circuito composto de dois metais diferente uma das junções é resfriada e a outra é aquecida. Com metais puros este efeito é comparativamente pequeno e é em grande parte encoberto pelo aumento de temperatura devida à resistência dos condutores e pela condução de calor entre a junção quente e a fria. Apesar disso, usando bismuto e antimônio, Lenz fabricou uma pequena quantidade de gelo em 1838.

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Nos metais puros a condutibilidade térmica reduzida está relacionada com a baixa condutibilidade elétrica, de modo que se metal puro for usado à condução de calor de uma junção para outra é pequena, mas a perdas devido à resistência são grandes. A efetividade depende principalmente da potência termelétrica, que nos metais puros é muito pequena.

Em anos recentes alguns semicondutores com elevada potência termelétrica foram desenvolvidos, tornando possível a construção de pequenos refrigeradores. Os semicondutores podem ser de dois tipos: tipo-n se a corrente é conduzida pelos elétrons e tipo-p se não o é. Estes são fabricados pela contaminação da substância pura com pequenas quantidades de impurezas para fornecer os condutores de corrente. O semicondutor mais usado atualmente para fins de refrigeração é bismuto-telúrio (Bi2 Te3).

Um elemento de refrigeração é mostrado na figura 2.10, composto de materiais tipo-n e tipo-p. Os dois blocos são montados em um circuito usando elementos de cobre como condutor. Aqui, o próprio cobre não toma parte no processo agindo somente como um condutor. É necessária uma fonte de corrente contínua de baixa voltagem. Visto que cada elemento utiliza somente uma fração de Volt, vários deles são conectados em série para formar um módulo ficando as junções quentes de um lado e as frias do outro.

Figura 2.10: Esquema do sistema de refrigeração usando o princípio termelétrico. [6]

2.3 Gases Refrigerantes

Gases Refrigerantes, fluídos refrigerantes, ou simplesmente refrigerantes, são as substâncias empregadas como veículos térmicos na realização dos ciclos de refrigeração. Inicialmente foram utilizadas, como refrigerantes, substâncias com NH3, CO2, SO2, CH3Cl entre outras, mais tarde, com a finalidade de atingir temperaturas em torno de -75°C, substâncias com N2O, C2H6 e mesmo o propano, foram empregadas. Com o desenvolvimento de novos equipamentos pelas indústrias frigoríficas, cresceu a necessidade de novos refrigerantes.

O emprego da refrigeração mecânica nas residências e o uso de compressores rotativos e centrífugos determinaram a pesquisa de novos produtos, levando a descoberta dos CFCs (hidrocarbonetos à base de flúor e cloro). Os CFCs reúnem, numa combinação única, várias propriedades desejáveis: não são inflamáveis, explosivos ou corrosivos; são extremamente estáveis e muito pouco tóxicos.

Em 1974, foram detectados, pela primeira vez, os problemas com CFCs, tendo sido demonstrado que compostos clorados poderiam migrar para a estratosfera e destruir moléculas de ozônio. Por serem altamente estáveis, ao se liberarem na superfície terrestre conseguem atingir a estratosfera antes de serem destruídos. Os CFCs foram então condenados como os maiores responsáveis pelo aparecimento do buraco na camada de ozônio sobre a Antártica. Na figura 2.11 é mostrado o esquema de interação dos refrigerantes CFCs com o Ozônio.

Figura 2.11: Interação dos refrigerantes à base de CFC com o Ozônio.

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A camada de ozônio tem uma função importantíssima na preservação da vida. Ela é responsável pela

filtragem dos raios ultravioleta que, em quantidades elevadas, são prejudiciais ao meio ambiente. Ao ser humano podem causar doença da pele como queimadura, câncer, envelhecimento precoce, etc.

Devido ao efeito dos CFCs sobre a camada de ozônio estratosférico, o Protocolo de Montreal de 1986, determinou sua substituição, provocando uma verdadeira revolução na indústria frigorífica.

A substituição dos CFCs, juntamente com o desenvolvimento de equipamentos eficientes, constitui um verdadeiro desafio. Novos componentes e equipamentos têm sido desenvolvidos, novas tecnologias tem sido introduzidas, especialmente aquelas relacionadas à eletrônica e a informática.

Nos últimos dez anos têm surgido inúmeros substitutos dos CFCs, a maioria no âmbito da família dos hidrocarbonetos halogenados, quer como substâncias puras, quer como misturas binárias ou ternárias. Refrigerantes naturais como CO2, têm sido seriamente cogitados pela comunidade científica e industrial.

A amônia tem sido adotada na maioria das instalações industriais de construção recente, dominando o setor. Uma vasta gama de produtos alternativos aos CFCs têm sido colocada no mercado pelos produtores de compostos halogenados, tornando difícil ao projetista, decidir quanto ao refrigerante que melhor se ajuste à sua instalação em particular. Determinados setores da indústria optaram por um substituto em particular, como no caso do condicionamento de cabinas para aplicações automotivas, onde o CFC-12 foi substituído pelo HCFC-134a.

O afinamento da camada de ozônio, segundo modelos das reações fotoquímicas envolvendo a irradiação solar ultravioleta, resulta de um efeito em cadeia promovido por átomos de cloro (e bromo), entre outros. Os átomos de cloro são transportados por compostos clorados, emitidos na biosfera, atingindo a estratosfera. Devido a sua estabilidade química, as moléculas desses compostos mantêm sua integridade durante todo o período em que permanecem na atmosfera até atingirem a estratosfera. Essa estabilidade química é justamente uma das características que credenciou os CFCs como refrigerantes. Uma molécula de refrigerante R12, que é um CFC, apresenta uma vida útil na atmosfera da ordem de 100 anos, tempo suficiente para que, eventualmente, atinja a estratosfera, transportada por correntes atmosféricas.

De acordo com a resolução 267 de 14 de setembro de 2000, do Conselho Nacional do Meio Ambiente – CONAMA, ficou estabelecida a proibição, em todo território nacional, da utilização do CFC-11, CFC-12, além de outras substâncias que agridem a camada de ozônio, em instalações de ar condicionado central, instalações frigoríficas com compressores de potência unitária superior a 100 HP e em sistemas de ar condicionado automotivo. Tornou-se proibida, a partir de primeiro de janeiro de 2001, a utilização dessas substâncias em refrigeradores e congeladores domésticos, e em todos os demais equipamentos e sistemas de refrigeração.

As importações de CFC-12 sofrerão reduções gradativas em peso, da seguinte forma: a) 15% no ano de 2001; b) 30% no ano de 2002; c) 55% no ano de 2003; d) 75% no ano de 2004; e) 85% no ano de 2005; f) 95% no ano de 2006; e g) 100% no ano de 2007. As importações de CFC-11 só são permitidas em situações especiais, descritas na resolução, como por

exemplo, suprir os consumos das empresas cadastradas junto ao Instituto Brasileiro de Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis - IBAMA e que tenham projetos de conversão às tecnologias livres dessa substância. A Tabela 2.2 apresenta as datas previstas para a proibição dos CFCs.

Tabela 2.2: Resumo das datas previstas para a proibição dos CFCs

―Phase-Out‖ Refrigerante Ação

1996 R11, R12, R500 Extingue a produção dos refrigerantes. Equipamentos não mais fabricados

2010 HCFC-22 Equipamentos não mais fabricados

2020 HCFC-22 Extingue a produção dos refrigerantes

2020 HCFC-123 Equipamentos não mais fabricados

2030 HCFC-123 Extingue a produção dos refrigerantes

Nos últimos anos o problema da camada de ozônio tem se composto com o problema do efeito estufa. O

efeito estufa consiste na retenção de parte da energia solar incidente, devido à presença de certos gases na atmosfera que atuam de forma semelhante a um vidro, sendo transparentes à irradiação solar na faixa de comprimentos de onda que sensibilizam a retina, que a grosso modo varia entre 0,4 e 0,7μm, mas opacos a

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radiação infravermelha, caracterizada por comprimentos de onda superiores a 0,7μm. Boa parte da energia solar se compõe de fótons na faixa visível de comprimentos de onda, ao passo que a superfície terrestre emite energia radiante na faixa de comprimentos de onda que correspondem a radiação infravermelha. Dessa forma, parte da irradiação solar incidente vai sendo progressivamente armazenada, provocando um aumento na temperatura da superfície terrestre. Esse processo é semelhante ao ocorre numa estufa, daí o nome ―efeito estufa‖.

A maioria dos compostos halogenados utilizados em instalações frigoríficas, inclusive os substitutos, podem provocar o efeito estufa. Entretanto, como suas emissões são muito inferiores às do CO2, que é o principal responsável pelo efeito estufa, sua ação não é tão significativa.

Para a caracterização do nível de ação sobre a camada de ozônio e do efeito estufa, dois índices foram criados. O primeiro, referente a camada de ozônio, quantifica o potencial de destruição dessa camada que o particular composto apresenta em relação ao refrigerante R11, ao qual é atribuído o valor 1. Esse índice é denominado de " Potencial de Destruição da Camada de Ozônio" designado pelas iniciais ODP do inglês "Ozone Depleting Potential". O segundo índice refere-se ao efeito estufa que é resultado de dois efeitos: o efeito direto, causado pela presença física do composto na atmosfera e o efeito indireto, resultante da emissão de CO2 pela queima de um combustível fóssil para produzir a energia elétrica necessária para acionar a instalação frigorífica que opera com o particular refrigerante. O índice para o efeito estufa é o GWP, do inglês "Global Warming Potential" , que é relativo ao efeito estufa direto causado pelo refrigerante R11, ao qual é atribuído arbitrariamente o valor 1.

A tabela 2.3 apresenta os valores dos índices ODP e GWP para alguns refrigerantes.

Tabela 2.3: Valores dos índices ODP e GWP para alguns refrigerantes.

Refrigerante ODP GWP

CFC – 11 1 1

CFC – 12 1 3,2

HCFC – 22 0,05 0,34

HCFC – 123 0,02 0,02

HFC – 134a 0 0,28

As características desejáveis de um refrigerante são: • Pressão de vaporização não muito baixa É desejável que o refrigerante apresente uma pressão correspondente à temperatura de vaporização não

muito baixa, para evitar vácuo elevado no evaporador e também, um valor baixo da eficiência volumétrica do compressor devido à grande relação de compressão.

• Pressão de condensação não muito elevada Para uma dada temperatura de condensação, que é função da temperatura da água ou do ar de

resfriamento, quanto menor for a pressão de condensação do refrigerante, menor será a relação de compressão e, portanto, melhor o desempenho do compressor. Além disso, se a pressão no lado de alta pressão do ciclo de refrigeração for relativamente baixa, esta característica favorece a segurança da instalação.

• Calor latente de vaporização elevado Se o refrigerante tiver um alto calor latente de vaporização, será necessário menor vazão do refrigerante para

uma dada capacidade de refrigeração. • Volume específico reduzido (especialmente na fase vapor) Se o refrigerante apresentar um alto valor do calor latente de vaporização e um pequeno volume específico,

na fase de vapor, a vazão em volume no compressor será pequena e o tamanho da unidade de refrigeração será menor, para uma dada capacidade de refrigeração.

Entretanto, em alguns casos de unidades pequenas de resfriamento de água com compressor centrífugo, é

às vezes preferível que o refrigerante apresente valores elevados do volume específico, devido à necessidade de aumentar a vazão volumétrica do vapor de refrigerante no compressor, tendo em vista impedir a diminuição de eficiência do compressor centrífugo.

• Coeficiente de performance elevado O refrigerante utilizado deve gerar um coeficiente de performance elevado pois o custo de operação está

essencialmente relacionado a este coeficiente. • Condutibilidade térmica elevada Um valor elevado da condutibilidade térmica do refrigerante é importante na melhoria das propriedades de

transferência de calor. • Baixa viscosidade na fase líquida e gasosa Devido ao pequeno atrito fluido dos refrigerantes pouco viscosos, as perdas de carga serão menores.

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• Baixa constante dielétrica, grande resistência elétrica e característica de não-corrosão dos materiais isolantes elétricos. Estas características são especialmente importantes para aqueles refrigerantes utilizados em ciclos de refrigeração com compressores herméticos.

• Devem ser estáveis e inertes, ou seja, não devem reagir e corroer os materiais metálicos da instalação de refrigeração.

• Não deve ser poluente • Não devem ser tóxicos ou excessivamente estimulantes. Apesar dos circuitos frigoríficos se constituírem em sistemas fechados, a possibilidade de vazamentos impõe

que os compostos utilizados como refrigerantes apresentem nível reduzido de toxicidade, o que é satisfeito pela maioria dos CFCs.

• Não devem ser inflamáveis ou explosivos. A possibilidade de vazamentos também impõe que os refrigerantes não sejam inflamáveis, devido ao risco de

incêndio e explosão. • Devem ser de detecção fácil quando houver vazamentos. 2.3.1 Nomenclatura dos Gases Refrigerantes Os refrigerantes são designados de acordo com a norma ASHRAE 34-1992, por números de três algarismos,

de acordo com a seguinte regra: • O primeiro algarismo da direita indica o número de átomos de flúor na molécula; • O segundo algarismo indica o número de átomos de hidrogênio mais 1; • O terceiro algarismo indica o número de átomos de carbono menos 1; Uma forma simples da regra de numeração dos refrigerantes é a seguinte:

As valências não preenchidas correspondem aos átomos de cloro na molécula. O primeiro algarismo nulo a partir da esquerda, por convenção, não é escrito. Esse é o caso, por exemplo, do

R-12, cuja composição química é CCl2F2. Como esse refrigerante apresenta apenas um átomo de carbono, e C-1 é nulo, então sua designação é feita por um número de dois algarismos.

Os isômeros são designados pelos sufixos ―a‖, ―b‖, ―c‖, etc., em ordem crescente de assimetria espacial. Esse é o caso, por exemplo, do R134a, que é um isômero espacial do composto 134.

As misturas não azeotrópicas são designadas pela série 400, em ordem crescente de cronologia de aparecimento.

As misturas azeotrópicas são designadas pela série 500, os compostos orgânicos, pela série 600 e os compostos inorgânicos pela série 700, em ordem crescente, de acordo com a massa molecular. A amônia, NH3, por exemplo, de massa molecular 17, é designada como refrigerante R-717, a água, H2O, de massa molecular 18, é designada como refrigerante R-718. Exemplo 2.2: Escreva a composição química do refrigerante, de acordo com seu nome: a) R-22 b) R-32 c) R-134a d) R-120 e) R-50 f) R-152 Exemplo 2.3: A partir da composição química do refrigerante, escreva seu respectivo número: a) C2HF5 b) CCl3F c) C2H6 d)CHF3

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8. Quando os CFC’s atingem altitudes onde a incidência de radiação ultravioleta é muito intensa, suas moléculas são decompostas em formas químicas mais reativas, liberando determinados átomos, que, ao reagirem com as moléculas de ozônio, acabam destruindo-as. Tais átomos prejudiciais são de: (A) flúor (B) enxofre (C) carbono (D) cloro (E) hidrogênio 9. Explique como é o funcionamento do sistema de refrigeração por absorção de vapor. 10. Em um ciclo de Carnot, os processos ocorrem às seguintes temperaturas e entropias:

a) Situação I:

Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo e COP? Faça o gráfico T x s.

b) Situação II:

Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo e COP? Faça o gráfico T x s. 11. Explique detalhadamente o funcionamento do circuito Frigorígeno. Esquematize a união entre todos os componentes.

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O estudo detalhado da mistura ar seco – vapor d’água e de tal importância que constitui uma ciência à parte,

a Psicrometria, dotada de todo um vocabulário próprio. A Psicrometria é definida como o ramo da física relacionado com a medida ou determinação das condições

do ar atmosférico, particularmente com respeito à mistura ar seco – vapor d’água, ou ainda, aquela parte da ciência que esta de certa forma intimamente preocupada com as propriedades termodinâmicas do ar úmido, dando atenção especial às necessidades ambientais, humanas e tecnológicas.

O conhecimento das condições de umidade e temperatura do ar é de grande importância. Além do conforto térmico, que depende mais da quantidade de vapor presente no ar do que propriamente da temperatura, também em muitos outros ramos da atividade humana. A conservação de produtos como frutas, hortaliças, ovos e carnes, em câmaras frigoríficas depende da manutenção da umidade relativa adequada no ambiente. Por exemplo, a perda de peso depende da umidade do ar na câmara de estocagem, se a umidade é baixa, a perda de peso é elevada e vice-versa. 3.1 Definições Fundamentais 3.1.1 Ar Seco

É a mistura dos gases que constituem o ar atmosférico, com exceção do vapor de água. A tabela 3.1 mostra a composição aproximada do ar seco ao nível do mar.

Tabela 3.1: Composição do ar seco ao nível do mar.

Componente % em volume % em peso

O2 20,99 23,19

N2 78,03 75,47

Ar (Argônio) 0,94 1,29

CO2 0,03 0,05

H2 0,01 0,00

3.1.2 Ar não saturado e ar saturado

Ar não saturado é a mistura de ar seco e vapor de água superaquecido, e ar saturado é a mistura de ar seco

e de vapor de água saturado. Mais precisamente é o vapor de água que está saturado e não o ar. A figura 3.1 mostra o esquema de uma carta psicrométrica, tendo como eixo das abscissas a temperatura e

como eixo das ordenadas a umidade absoluta, que será definida no próximo item, onde somente aparece a linha de saturação. Quando o ar está saturado, o estado do mesmo se dá sobre a linha de saturação da carta psicrométrica, significando que uma redução de temperatura causará uma condensação do vapor de água do ar.

Figura 3.1: Esquema de uma carta psicrométrica para o ar saturado.

Psicrometria

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3.1.3 Umidade Absoluta Umidade absoluta é a quantidade de vapor presente na mistura ar-vapor. A umidade absoluta é expressa em

kg de vapor d’água por m³ de ar.

3.1.4 Umidade Relativa ( ) A umidade relativa ( ) é a relação entre a umidade absoluta existente e a máxima umidade absoluta a uma

dada temperatura, ou seja, quando o ar estiver saturado de vapor. Ou seja:

(

)

Onde:

= umidade relativa; = massa de vapor d’água em 1 m³ de ar (umidade absoluta);

= massa de vapor d’água que teria se 1 m³ de ar estivesse saturado a uma dada temperatura. 3.1.5 Temperatura de Bulbo seco (TBS)

A temperatura de bulbo seco (TBS) é a temperatura indicada por um termômetro comum, não exposto à radiação.

3.1.6 Temperatura de Bulbo úmido (TBU)

Se o bulbo de um termômetro for coberto com uma mecha de algodão saturado com água, a sua temperatura descerá, primeiro rapidamente e depois lentamente até atingir um ponto estacionário. A leitura neste ponto é chamada de temperatura de bulbo úmido (TBU) do ar (figura 3.2), sendo que esta temperatura é aproximadamente a que seria indicada pelo saturador adiabático.

Para se obter valores corretos para a temperatura de bulbo úmido, a velocidade do ar, que se deseja medir a temperatura deve ser de 5 m/s, com relação ao bulbo.

Figura 3.2: Termômetro de Bulbo Úmido e Bulbo Seco. [7]

3.1.7 Temperatura de Orvalho (TPO)

A temperatura de orvalho (TPO) é a temperatura na qual o vapor de água se condensa, ou solidifica, quando resfriado a pressão e umidade absoluta constante.

O diagrama T-S da figura 3.3 ilustra esta definição. Nesta figura, o ponto 1 representa um estado do ar úmido tal que o vapor de água presente na mistura se encontra superaquecido. Quando resfriado à pressão constante, o vapor passa pelo ponto 2, que corresponde ao ponto de orvalho, e onde tem início a condensação do vapor.

Figura 3.3: Temperatura do ponto de orvalho (TPO).

(3.1)

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Chama-se ponto de orvalho (dew point) a temperatura abaixo da qual se inicia a condensação, à pressão

constante, do vapor d’água contido no ar.

Figura 3.4: Temperatura de bulbo seco e bulbo úmido.

3.1.8 Psicrômetro

A temperatura de bulbo úmido (TBU) é lida de um termômetro de bulbo úmido, que é um termômetro de

líquido em vidro usual, cujo bulbo é envolvido por uma mecha umedecida com água, como mostrado na figura 3.2. A expressão temperatura de bulbo seco refere-se simplesmente à temperatura que seria medida por um termômetro posicionado na mistura. Frequentemente um termômetro de bulbo úmido é montado junto a um termômetro de bulbo seco para formar um instrumento chamado psicrômetro [13].

O psicrômetro mostrado na figura 3.5(a) é girado no ar no qual as temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido precisam ser determinadas. Isso induz um fluxo de ar por entre os dois termômetros. Para o psicrômetro da figura 3.5(b), o fluxo de ar é induzido por um ventilador operado por bateria.

Figura 3.5: Psicrômetros. (a) Psicrômetro de Sling. (b) Psicrômetro de aspiração [13].

Em cada tipo de psicrômetro, se o ar da vizinhança não estiver saturado, a água contida na mecha do

termômetro de bulbo úmido evapora-se e a temperatura da água restante cai abaixo da temperatura de bulbo seco. 3.1.9 Carta Psicrométrica

Representações gráficas de várias propriedades importantes de ar úmido são fornecidas em cartas

psicrométricas. O uso das cartas psicrométricas permite a análise gráfica dos processos que envolvem o ar úmido, facilitando assim a solução de muitos problemas típicos dos sistemas de condicionamento de ar.

A figura 3.6 apresenta a carta psicrométrica para o nível do mar. Essa carta contêm todas as propriedades do ar úmido discutidas anteriormente.

T

s

Temperatura de

bulbo úmido Pressão

constante do

vapor

Linha de vapor

saturado Ponto de

orvalho

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Figura 3.6: Carta psicrométrica para o nível do mar.

Na figura 3.7 é mostrada esquematicamente a divisão de todas as partes que compõem a carta

psicrométrica.

Figura 3.7: Partes da carta psicrométrica. [2]

Essa carta é constituída das seguintes partes:

1 - linha de temperatura do bulbo seco (TBS), em °C; 2 - linha da umidade específica em kg de umidade p/kg de ar seco;

3 - linha da escala de umidade específica (); 4 - linha da temperatura de bulbo úmido (TBU), em °C; 5 - linha do volume específico ( em m³ de mistura p/kg de ar seco; 6 - linha de escalas de entalpia (h) em kJ/kg de ar seco na saturação; 7 - linha da umidade relativa ( ) em %; 8 - linha da razão de calor sensível (RCS) igual ao Calor sensível/Carga térmica 9 - linha do desvio da entalpia em relação à entalpia específica na saturação.

Exemplo 3.1: Dados para um recinto condicionado: TBS = 25°C e =50%. Para a mistura ar-vapor achar:

(a) Temperatura de bulbo úmido (TBU); (b) Umidade Específica (); (c) Entalpia (h); (d) Volume específico ( ); (b) Umidade Percentual (UP)- definida como a relação entre a umidade específica (item b) e a umidade específica para a mesma temperatura bulbo seco, na saturação.

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3.2 Processos Psicrométricos

Os processos com ar úmido podem ser representados graficamente em uma carta psicrométrica, onde podem ser facilmente interpretadas. Da mesma forma a carta pode ser utilizada na determinação da variação de propriedades tais como temperatura, umidade absoluta e entalpia que ocorre em processos.

Na figura 3.8 têm-se os principais processos que podem ser obtidas com o uso da carta psicrométrica.

Figura 3.8: Uso da carta psicrométrica. [2]

3.2.1 Aquecimento Sensível (Aquecimento Seco)

Quando se fornece energia ao ar, a temperatura aumenta, mas a razão de umidade permanece constante, pois não há aumento nem diminuição na quantidade de massa de mistura (ar seco-vapor d’água). Assim, o processo de aquecimento sensível (aumento de temperatura somente) é representado no gráfico por linhas horizontais, paralelas à abscissa, a partir do ponto de estado em que se encontra o ar, como mostra a figura 3.9.

Figura 3.9: Aquecimento Sensível. (a) Aplicação do processo. (b) Na carta psicrométrica.

Exemplo 3.2: Um ar à TBS = 2°C e = 60% é aquecido através da passagem em uma bobina para TBS = 35°C.

Determine a TBU e , bem como a quantidade de calor adicionada ao ar por kg de ar fluente no fim do processo.

3.2.2 Resfriamento sem Desumidificação (Resfriamento seco)

A figura 3.10 demonstra o processo de resfriamento seco na carta psicrométrica.

Figura 3.10: Resfriamento sem Desumidificação. (a) Aplicação do processo. (b) Na carta psicrométrica.

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O calor retirado do ar pelo processo pode ser

calculado da mesma forma que o caso anterior. Na figura 3.11 é apresentado um esquema básico do processo de resfriamento seco, onde a água gelada com a temperatura superior, igual ou pouco menor que a temperatura de orvalho do ar, passa por um circuito de tubos.

Exemplo 3.3: Um ar à TBS = 25°C e TBU = 20°C sofre um processo de resfriamento para TBS = 20°C. Determine a TBU e , bem como a quantidade de calor retirada ao ar por kg de ar fluente no fim do processo de resfriamento. 3.2.3 Resfriamento e Desumidificação

No resfriamento do ar, quando se atinge a curva de umidade relativa máxima ( =100%), tem-se o ponto de orvalho (PO). A figura 3.12 apresenta a aplicação do processo de resfriamento e desumidificação e na figura 3.13 este mesmo processo na carta psicrométrica.

Figura 3.12: Exemplo de processo de resfriamento e desumidificação.

Figura 3.13: Processo de Resfriamento e desumidificação na carta psicrométrica.

O resfriamento desse ar moverá o ponto de estado sobre a linha de saturação, ocorrendo condensação de

parte do vapor d’água presente no ar. Consequentemente, a razão de umidade diminuirá. Exemplo 3.4: Um ar à temperatura BS = 28°C e UR = 50% é resfriado até a temperatura BS = 12°C e BU = 11°C. Achar: (a) o calor total removido; (b) a umidade total removida; (c) a razão de calor sensível no processo (RCS). 3.2.4 Resfriamento e Umidificação (Resfriamento evaporativo)

A adição de umidade de ar sem que se acrescente energia faz com que o ponto de estado se mova sobre uma linha de entalpia constante (transformação isoentálpica). A transformação ocorre praticamente com temperatura de bulbo úmido constante.

Figura 3.11: Esquema básico do processo de resfriamento seco.

Figura 3.14: Exemplo de processo de resfriamento e

umidificação.

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A figura 3.14 demonstra um método de se realizar essa transformação. Em A uma vazão de ar não saturado é insuflado em uma cortina de água gelada, saindo mais frio e com a mesma energia (entalpia) inicial.

Já na figura 3.15 é mostrado o processo de resfriamento com umidificação na carta psicrométrica.

Figura 3.15: Processo de Resfriamento e Umidificação.

Define-se Eficiência de Saturação a relação:

Onde: TA = temperatura de bulbo seco do ar na entrada do processo; TB = temperatura de bulbo seco do ar na saída do processo; TPO = temperatura de bulbo úmido do ar na entrada, a qual coincidiria com a temperatura de bulbo seco da

saída se o ar saturasse completamente. Na prática, se o condicionador é suficientemente grande/potente e possua um mínimo de duas linhas de

pulverização, a eficiência da saturação pode alcançar e até superar 92%. Este processo foi um dos primeiros a ser empregados nas instalações de ar condicionado e é ainda

empregado nas indústrias têxteis e, em geral, naquelas que necessitam para seus ciclos de produção uma massa de ar com umidade relativamente elevada. Exemplo 3.5: Um ar à TBS = 32°C e TBU = 18°C passa através de um ―spray‖ de água que o deixa na umidade de 90%. A água está à temperatura de 18°C. Determine a TBS do ar na saída. 3.2.5 Aquecimento e Umidificação

O ar pode ser aquecido e umidificado simultaneamente se este passar por um condicionador que contenha uma tubulação que pulverize água quente ou simplesmente mediante uma injeção direta de vapor, como é ilustrado na figura 3.16.

Figura 3.16: Exemplo de processo de aquecimento e umidificação.

Este processo é caracterizado por um aumento de entalpia e umidade específica do ar tratado. Se a

temperatura da água é maior que a temperatura de bulbo seco do ar na entrada do condicionador, o ar terá sua temperatura de bulbo seco aumentada, conforme pode ser observado no processo A-B, da figura 3.17.

(3.2)

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Figura 3.17: Processo de Aquecimento e Umidificação.

Como no caso do processo de resfriamento e umidificação (resfriamento adiabático) o ar sairá saturado do

condicionador. A capacidade de saturação do ar pode ser expressa da mesma forma que a Eficiência de Saturação expressa pela equação 3.2.

3.2.6 Aquecimento e Desumidificação

Quando o ar passa por um desumidificador químico o vapor de água é absorvido ou adsorvido por uma substância higroscópica, como por exemplo, a sílica gel, a alumina ativada e o cloreto de cálcio ou lítio, como mostrado na figura 3.18.

Figura 3.18: Exemplo de processo de aquecimento e desumidificação.

No caso ideal o processo ocorre adiabaticamente, portanto a entalpia do ar se mantém constante. Assim,

desde que a umidade absoluta do ar é reduzida, a sua temperatura deve aumentar, como mostrado no processo A-B da figura 3.19.

Figura 3.19: Processo de Aquecimento e Desumidificação.

No processo real, há um aumento de entalpia e, portanto o estado final do ar corresponde ao B’ da figura

3.19. Este aumento de entalpia ocorre porque o calor liberado durante o processo de absorção ou adsorção é maior que o calor latente de condensação do vapor de água, e também porque na prática os materiais utilizados nestes desumidificadores cedem ao ar uma parte do calor absorvido durante seu processo de regeneração.

3.2.7 Mistura de ar

Em instalações de ar condicionado é comum o ar de retorno do ambiente, ser misturado com o ar exterior, para recompletar as diferentes perdas de ar. A figura 3.20 mostra a representação desta mistura

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Figura 3.20: Diagrama esquemático do equipamento.

Na figura 3.21 é apresentada uma carta psicrométrica com os seguintes pontos alocados: ponto A como

relativo às condições internas do recinto e o ponto B como as condições do ar exterior, em um ponto C da reta AB tem-se as condições da mistura.

Figura 3.21: Na carta psicrométrica, a mistura de correntes de ar.

Exemplo 3.6: Em uma instalação de ar condicionado, temos as seguintes condições: - Internas: TBS =25,5°C e UR =50%. - Externas: TBS=34°C e TBU = 27,2°C. A percentagem do ar exterior é de 20% do total. Determine a TBS, TBU e da mistura. 3.3 Resfriamento pela Evaporação

A atmosfera é o absorvedor inesgotável de todo o calor emitido nas transformações das máquinas térmicas. Nas grandes máquinas, como, por exemplo, nas centrais termoelétricas, o vapor, depois de passar pelas turbinas, deve ser condensado. A condensação do vapor exige grandes vazões de água, o que evita a sua descarga direta na atmosfera. Há inúmeros tipos de máquinas, cuja condensação exige água, que, após o processo, deve ser refrigerada. Usam-se, para o processo de refrigeração de água de condensação, as torres de arrefecimento (ou de resfriamento). No tipo mais comum de torre, o tipo úmido, a água quente é lançada, sob a forma de gotículas, contra uma massa ascendente de ar; isso aumenta a área de transferência de calor. Usam-se também ventiladores, normalmente na parte superior para aumentar a corrente de ar circulante, como mostrado na figura 3.22.

Figura 3.22: Diagrama esquemático de uma torre de resfriamento [13].

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Para que haja transferência de calor da água para o ar, é necessário que a temperatura da água seja

superior à do bulbo úmido do ar. Teoricamente a temperatura limite com a qual a água pode ser refrigerada é a do bulbo úmido do ar circulante. A diferença entre a temperatura da água na saída da torre e a temperatura BU do ar é o approach.

O rendimento da torre é medido pela seguinte relação:

Onde: = Temperatura da água quente que entra;

= Temperatura da água fria que sai; = Temperatura do bulbo úmido do ar;

= approach.

O ar em contato com a água eleva a temperatura do BU, o que significa também que sai sob a forma saturada. Esse contato faz com que parte da água seja evaporada e deve ser reposta para não haver deficiência (água de reposição ou make-up). Essa reposição é pequena, da ordem de 2% da água de circulação, por isso a torre deve ter uma ligação com a caixa-d’água de abastecimento do prédio, que mantém o nível da bacia no fundo da torre, através de uma torneira-boia. Exemplo 3.7: A temperatura da água ao entrar em uma torre é de 46°C, sua vazão é de 6,25 m³/h e a pressão atmosférica é normal. O ar entra nas temperaturas BS =35°C e BU = 25°C e deixa a torre na temperatura de 38°C, saturado. A temperatura da água ao sair da torre é de 29,2°C. Calcular o rendimento da torre e o approach.

(3.3)

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12. A parede externa de uma sala é composta das seguintes placas: 15 cm de concreto, 10 cm de madeira e 20 cm de cortiça. A temperatura do ar exterior é de 34°C e no interior é de 25°C. Calcular o fluxo de calor por m² de superfície de parede em kcal/h

13. Em um ambiente com ar condicionado desejamos que o fluxo máximo de calor seja de 10 kcal/h por m², do exterior a 34°C para o interior a 25°C. Se a parede for construída com espessura de concreto de 15 cm, revestida por 10 cm de madeira, que espessura deverá ter a camada interior de cortiça?

14. Em um recinto com ar condicionado, tem-se as seguintes condições:

(a) Ambiente 1: TBS = 23°C e UR = 60%.

(b) Ambiente 2: TBS = 28°C e UR= 40%

(c) Ambiente 3: TBS = 26°C e TBU= 16°C

Determinar as propriedades do ar em cada ambiente.

15. Um ar na temperatura de 10°C e umidade relativa de 65% é aquecida por uma resistência elétrica até a temperatura de 40°C. Calcular, usando a carta psicrométrica, a umidade relativa no final do aquecimento.

16. Num ambiente com ar condicionado a temperatura do bulbo seco deve ser mantida a 25°C e a umidade relativa 50%. Calcular a temperatura do BS em que o ar deixa as serpentinas do evaporador, supondo-o saturado e usando a carta psicrométrica.

17. Em uma instalação de ar condicionado, temos as seguintes condições: - Internas: BS = 24°C e BU = 19°C - Externas: BS = 32°C e BU = 26°C A percentagem do ar exterior é de 10% do total. Calcular as temperaturas BS e BU da mistura. 18. Um ar com UR=50% e BS = 14°C é aquecido através da passagem em uma bobina para BS=38°C. 19. Em BS=38°C, achar BU, UR e a quantidade de calor adicionada ao ar por kg de ar fluente. 20. Determinar, utilizando a carta psicrométrica, as propriedades termodinâmicas de ar úmido a 29,4°C de temperatura de bulbo seco, e 21,1°C de temperatura de bulbo úmido, e pressão barométrica de 1 atm.

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Os seguintes dados são indispensáveis ao projeto de instalação de ar condicionado: plantas de arquitetura,

cortes, vistas, número de ocupantes do recinto, posição do Sol em face do prédio, fim a que se destina a instalação (conforto, equipamento, industrial, etc), local para a casa de máquinas, tipo de insuflamento e retorno, fontes de calor no recinto, iluminação, regime de ocupação, prédios vizinhos, coordenadas geográficas do local, cores de paredes, telhados, janelas etc.

Em seguida, deverão ser fixados: temperatura, umidade relativa, temperatura dos bulbos seco e úmido, ponto de orvalho para o ar exterior e interior. 4.1 Conforto Térmico

Condições ambientais de temperatura e umidade que proporcionam sensação de bem-estar às pessoas que ali estão.

Figura 4.1: Fatores que afetam o conforto térmico. [8]

4.1.1 Metabolismo Processo pelo qual o corpo converte a energia dos alimentos em calor e trabalho. O calor que é gerado

continuamente pelo corpo deve ser eliminado a fim de que a temperatura interna se mantenha constante. A energia total, M, produzida no interior do corpo é dissipada da seguinte maneira:

M = E ± R ± C + B ± S

Onde: M: metabolismo, W; E: perda por evaporação, W; R: transferência de calor por radiação, W; C: transferência de calor por convecção, W; B: perda de calor por respiração, W; S: taxa de variação de energia armazenada no corpo, W.

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4.1.2 Condições de Conforto O simples conhecimento da temperatura do ar não é suficiente para determinar se o ambiente é confortável

ou não, como ilustra a figura 4.2, uma pessoa está em um ambiente onde a temperatura encontra-se entre 23 a 27°C, que deveria proporcionar conforto, no entanto se a umidade relativa for muito alta, a pessoas sente-se abafada pelo excesso de água que a envolve.

Figura 4.2: Efeito da umidade relativa alta.

Sendo o conforto térmico humano, afetado por muitas variáveis já que ele é função do metabolismo, não é

possível estabelecer-se para as mesmas regras fixas. Os melhores resultados são obtidos com condições aproximadas para as quais a maioria dos ocupantes de

um ambiente se sintam confortáveis. Experiências foram realizadas com pessoas vestidas com roupa comum e submetidas a várias condições de

temperatura, umidade relativa e movimento do ar, anotando-se as reações em face das diversas condições, donde surgiu um parâmetro de conforto denominado temperatura efetiva que representa um índice que se aplica ao corpo humano e diz respeito ao grau de calor ou de frio experimentado em certas combinações das grandezas citadas.

A figura 4.3 mostra o ábaco de conforto para verão e inverno da ASHRAE para ocupações contínuas durando mais que três horas e movimentação do ar de 0,08 a 0,13 m/s. A temperatura efetiva é sempre menor do que a lida no termômetro de bulbo seco, somente na umidade relativa de 100% é que são iguais. Durante o verão, a maioria das pessoas que tenham permanecido numa atmosfera condicionada durante mais de 3 horas, sentir-se-á tão fria a 24°C de bulbo seco e 60% de umidade como a 26°C de bulbo seco e 30% de uma idade, porque ambas as condições caem na linha de 22°C de temperatura efetiva na figura 4.3. A curva na porção superior esquerda da figura 4.3 indica a percentagem de pessoas que se sentem confortáveis durante o tempo de verão para as condições entre 18°C e 26°C de temperatura efetiva. Os estudos conduzidos pela American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, ASHRAE com umidades relativas entre 30 e 40% indicam que 98% das pessoas se sentem confortáveis quando as temperaturas de bulbo seco e úmido caem na linha de 22°C de temperatura efetiva.

A figura 4.3 foi preparada para aproximadamente 40 de latitude Norte e altitudes inferiores a 300 m.

Figura 4.3: Ábaco de Conforto da ASHRAE.

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Em sistemas de ar condicionado para o conforto de pessoas, deve-se levar em conta o tempo de permanência no recinto.

Assim, a tabela 4.1 mostra as indicações para as temperaturas e umidades relativas em função da permanência.

Tabela 4.1: Temperaturas e umidades relativas em função da permanência. [2]

Permanência Temperatura Efetiva Temperatura de Bulbo

Seco Umidade Relativa

Mais de 3 horas 22,7°C 25,5°C 55 %

Entre 45 minutos e 3 horas

23,3°C 26,6°C 50 %

Menos de 40 minutos 23,8°C 27,7°C 45 %

As temperaturas elevadas causam danos ao ser humano (exaustão térmica, câimbras, insolação) e, em resumo: - prejudicam a saúde da pessoa, diminuem a capacidade de trabalho e a resistência à infecção (pois o número de glóbulos brancos do sangue diminui).

O controle da qualidade do ar interior importa na manutenção dos odores abaixo da concentração limite de percepção e em manter a taxa compatível de oxigênio. Estes objetivos são conseguidos conjuntamente com a renovação do ar por ventilação. Os odores devem-se à matéria orgânica contida nos recintos, ao fumo dos cigarros, a processos químicos, perfumes, etc., geralmente, o controle do odor, satisfaz a taxa de oxigênio, pois a quantidade de ar a renovar para diluir o ar ambiente, levando a taxa de concentração abaixo do limite de percepção, é bem maior que o necessário à manutenção da taxa compatível de oxigênio. Os principais meios usados para a recuperação do ar, separando-o dos odores são: - filtragem comum, lavagem em água, filtragem eletrostática, tratamento com carvão reativado, uso de substâncias absorvedoras, etc. Contaminantes externos também podem ser responsáveis por problemas na qualidade do ar interior, como: CO, CO2, NO2, chumbo, fumaça em geral, particulados, etc. e no sistema de ar condicionado dependendo da manutenção pode haver a proliferação de algas, fungos, poeiras e microrganismos. As soluções recomendadas são: - eliminação das fontes internas ou exaustão localizada, ventilação em níveis adequados, correção no posicionamento da captação de ar externo, filtragem adequada, adequação do projeto e estabelecimento de rotina de manutenção, prevenindo-se contra o acúmulo de poeira e umidade no sistema de climatização.

As condições de conforto para verão são dadas pela tabela 4.2, para indivíduos em repouso ou em atividade moderada.

Tabela 4.2: Condições de conforto para verão. [2]

Finalidade Local Recomendável Máxima

TBS (°C) UR(%) TBS (°C) UR(%)

Conforto

Residências

23 a 25 40 a 60 26,5 65 Hotéis

Escritórios

Escolas

Lojas de curto tempo de ocupação

Bancos

24 a 26 40 a 60 27 65

Barbearias

Cabeleireiros

Lojas

Supermercados

Ambientes com grandes cargas de calor latente e/ou sensível

Teatros

24 a 26 40 a 65 27 65

Auditórios

Templos

Cinemas

Bares

Lanchonetes

Restaurantes

Bibliotecas

Estúdios de TV

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Locais de reuniões com

movimento

Boates 24 a 26 40 a 65 27 65

Salões de baile

Ambiente de arte

Depósitos de livros, manuscritos, obras

raras 21 a 23* 40 a 50* - -

Museus e galerias de arte

21 a 23* 50 a 55* - -

Acesso Halls de elevadores - - 28 70

* Condições constantes para o ano inteiro. 4.2 Sistemas de Ar Condicionado

Essencialmente existem dois sistemas de ar condicionado:

Expansão ou evaporação direta: Quando o condicionador recebe diretamente do recinto ou através de dutos a carga de ar frio ou quente.

(figuras 4.4)

Expansão indireta: Quando o condicionador utiliza um meio intermediário (água ou salmoura) para retirar a carga térmica que é

transmitida pelo ar frio ou quente. (figura 4.5) Cada um dos dois sistemas citados tem a sua aplicação específica:

Expansão direta: para instalações pequenas e médias.

Expansão indireta: para grandes instalações.

Figura 4.4: Sistema de ar condicionado de expansão direta (condensação a ar). [2]

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Figura 4.5: Sistema de ar condicionado de expansão indireta (água gelada com condensação a ar). [2]

4.3 Tipos de Condensação

Nos equipamentos de refrigeração, há dois trocadores de calor: evaporador e condensador. No ciclo de refrigeração, o fluido refrigerante, ao passar, no condensador, do estado de gás em alta pressão

o líquido em alta pressão, necessita de um meio ao qual transmita o calor recebido no evaporador. Temos três tipos de condensação:

Ar, em circulação natural ou forçada: nesse caso a temperatura admitida para fluido deve ser superior à do bulbo seco do ar exterior considerado nos cálculos;

Água, que pode ser sem retorno, suando água corrente, ou em circuito fechado, utilizando uma torre de arrefecimento. Neste caso, a temperatura do bulbo úmido do ar exterior deve ser inferior à temperatura da água de circulação, para que haja transferência de calor da água para o ar exterior.

Evaporativa, nesse caso também a temperatura de bulbo úmido do ar exterior deve ser inferior á estabelecida para o fluido frigorígeno. 4.4 Tipos de instalações

Conforme as dimensões da carga térmica do recinto a condicionar, podemos ter as seguintes instalações:

Aparelhos individuais, normalmente com condensação a ar (Figura 4.6);

Instalações centrais com condensação a ar (Figura 4.4);

Instalações centrais com condensação a água em circuito aberto ou fechado;

Instalações centrais com condensação a vapor d’água;

Instalações centrais com circulação de água gelada nas serpentinas (fan-coils) (figura 4.7).

Figura 4.6: Aparelhos individuais.

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Figura 4.7: Instalações centrais com circulação de água gelada nas serpentinas.

4.4.1 Condicionador de Ar do Tipo Janela

Eram os tipos de ar-condicionado mais utilizados por dois motivos: são facilmente encontrados e são os mais

baratos. Contudo, é bom lembrar o alto nível de consumo de energia elétrica e também ruído. Na figura 4.8 são apresentadas as principais partes desse condicionador de ar.

Figura 4.8: Componentes de condicionador de ar do tipo janela.

Posicionamento: Sempre que possível posicionar o aparelho no centro da parede e de frente para a maior dimensão do

ambiente a ser refrigerado.

Figura 4.9: Posicionamento do equipamento. [5]

Instalação: Para conseguir melhor rendimento do condicionador de ar evitar instalá-lo em locais com incidência direta de

raios solares ou próximo de fontes geradoras de calor. Também deve ser evitado posicioná-lo em ambientes fechados onde a movimentação de ar externo fique

prejudicada. Na impossibilidade de instalar o condicionador de ar à sombra, deve protegê-lo da luz direta do sol, por meio

de um toldo.

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Figura 4.10: Incidência direta de raios solares [5].

Circuito frigorígeno do Condicionador de Ar

Figura 4.11: Detalhe dos componentes do circuito frigorígeno [5].

Sistema de Ventilação O sistema de ventilação dos condicionares de ar é realizado pelo motoventilador que aciona duas hélices: - Hélice axial (traseira): localizada na parte traseira do condicionador de ar. Função: Refrigerar o condensador, aumentando também o resfriamento do compressor e do motoventilador.

Figura 4.12: Localização da Hélice Axial.

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- Hélice radial (dianteira): Localiza-se na parte dianteira. Função: Recircular o ar do ambiente interno, fazendo-o passar pelo filtro e evaporador.

Figura 4.13: Localização da Hélice Radial.

Figura 4.14: Em (a) detalhe do fluxo de ar através das aletas do evaporador e condensador e em (b) detalhe do moto ventilador

e das hélices. [5]

4.4.2 Condicionador de Ar Split-System

Split System significa sistema separado, onde uma unidade fica na parte interna do recinto (Evaporador) e outra parte fica na parte externa (Unidade Condensadora). Na figura 4.15 é apresentado um exemplo de instalação de um Split, a unidade interna contém o evaporador e um moto ventilador, e a unidade externa que é a unidade condensadora.

Figura 4.15: Exemplo de instalação de um Split.

(a) (b)

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O conceito de ―Unidade Condensadora‖ é um termo técnico para definir uma unidade que contém juntos o

Compressor e o Condensador. O dispositivo de expansão pode ou não fazer parte da unidade condensadora, isso depende do modelo. A figura 4.16 apresenta alguns exemplos de unidades condensadoras.

Figura 4.16: Unidades condensadoras de condicionadores de ar Split.

Instalações - Sifão Quando a unidade evaporadora está acima da unidade condensadora, deve-se na linha de sucção colocar

um sifão invertido. Função: Quando o motocompressor parar, o fluido refrigerante líquido do evaporador não irá para a sucção

do motocompressor evitando que o mesmo volte a funcionar inundado de líquido. Utilizado em desníveis superiores a 3 metros. Possui o objetivo de auxiliar o arraste do óleo de volta ao motocrompressor. O fluido refrigerante é o responsável pelo arraste do óleo.

Figura 4.17: Instalação das unidades Evaporadora e Condensadora. [5]

Dispositivo de Expansão

Utilizam tubo capilar equipamentos com capacidade de até 24000BTU/h;

A partir de 30000BTU/h, utiliza-se um dispositivo chamado Pistão.

Nos SPLITs de grande porte usa-se a VET (Válvula de expansão termostática).

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(a) (b) (c) Figura 4.18: Dispositivos de expansão. Em (a) tubo capilar; (b) Pistão e (c) Válvula de expansão termostática.

Válvula Inversora Nas regiões onde a temperatura externa é muito baixa,

os SPLITs são dotados de circuito frigorígeno reverso, há uma válvula reversora que inverte o sentido do fluxo do fluido refrigerante e o evaporador passa a ser o condensador e vice-versa.

Ciclo Frio:

Ciclo Quente:

Figura 4.20: Ciclo frio e ciclo quente.

Na figura 4.21 são apresentados os circuitos de um sistema Split com o ciclo reverso e na figura 4.22 um

sistema com ciclo frio.

Figura 4.21: Circuito de um Split com ciclo reverso.

Figura 4.19: Válvula Inversora.

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Figura 4.22: Circuito de um Split com ciclo frio (sem a válvula reversora).[5]

Instalação dos Equipamentos: Para conseguir melhor rendimento do sistema é necessário seguir algumas regras para instalação dos

equipamentos. Na figura 4.23, é apresentado o espaçamento mínimo recomendado para instalação do evaporador. Para cada modelo adquirido é necessário uma consulta ao manual do fabricante para verificar suas recomendações.

Figura 4.23: Espaçamentos mínimos recomendados. [5]

Quando a unidade evaporadora ficar gotejando água durante seu funcionamento, é sinal da má instalação

dos drenos. Na figura 4.24 é mostrada a forma mais indicada para a correta instalação dos drenos.

Figura 4.24: Exemplo de instalação dos drenos em unidades evaporativas. [5]

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Com relação a unidade condensadora, tem-se as seguintes recomendações: evitar lugares com ventos

predominantes ou expostos a poeira; Lugares sujeitos a chuvas fortes; Umidade e lugares irregulares ou desnivelados; Não instalar a unidade externa sobre a grama ou superfícies macias; Instalar as unidades condensadoras de maneira que a descarga de ar de uma unidade não seja tomada de ar da outra unidade.

Figura 4.25: Dicas do que se deve EVITAR na instalação da unidade condensadora.[5]

Na figura 4.26 é apresentado os espaçamentos mínimos recomendados para instalação da unidade

evaporadora.

Figura 4.26: Espaçamentos mínimos recomendados. [5]

Na figura 4.27 é mostrado o detalhe do furo para a passagem dos tubos cabos que fazem a ligação entre as

unidades.

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Figura 4.27: Detalhe do furo para passagem dos tubos e cabos. [5]

Exemplo de Manutenção Preventiva: A seguir é apresentada uma planilha de manutenção preventiva para o sistema Split.

Tabela 4.2: Planilha de Manutenção Preventiva do sistema Split. [5]

Itens DESCRIÇÃO DOS SERVIÇOS Frequência

A B C

1° Inspeção geral na instalação do equipamento, curto circuito de ar, distribuição de insuflamento nas unidades, bloqueamento na entrada e saída de ar do condensador, unidade condensadora exposta à carga térmica.

*

2° Verificar instalação elétrica. * *

3° Lavar e secar o filtro de ar. *

4° Medir tensão e corrente de funcionamento e comparar com a nominal. *

5° Medir tensão com rotor travado e observar queda de tensão até que o protetor desligue. *

6° Verificar aperto de todos os terminais elétricos das unidades, evitar possíveis maus contatos. *

7° Verificar obstrução de sujeira e aletas amassadas *

8° Verificar possíveis entupimentos ou amassamentos na mangueira do dreno. *

9º Fazer limpeza dos gabinetes. *

10º Medir diferencial de temperatura. *

11° Verificar folga do eixo dos motores elétricos. *

12º Verificar posicionamento, fixação e balanceamento da hélice ou turbina. *

13º Verificar operação do termostato. *

14º Medir pressões de equilíbrio. *

15° Medir pressões de funcionamento. *

A – Semanal B – Mensal C – Trimestral

4.4.3 Condicionadores de Ar Centrais Os condicionadores de gabinete são

equipamentos unitários, pois constituem um arranjo compacto de serpentinas de resfriamento, compressores, condensadores, válvula de expansão termostática, filtros e outros dispositivos auxiliares montados em fábrica.

Na figura 4.28 um modelo de condicionador de Ar Central do tipo self contained é mostrado. O mesmo possui uma Caixa Plenum que insufla o ar condicionado diretamente no ambiente.

Algumas características desse sistema: Figura 4.28: Condicionador de Ar Central Self Contained.

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Os compressores usados nos condicionadores de gabinete são herméticos: alternativos, rotativos ou scroll.

Se a troca de calor for com o ar o condensador é do tipo tubos aletados.

Se for com a água o condensador pode ser de dois tipos: tubos concêntricos (tube-in-tube) e casco–tubos (shell-and-tube).

A serpentina de resfriamento (por expansão direta) é do tipo tubos aletados.

No arranjo mais comum o condicionador é instalado no próprio ambiente condicionado, como mostrado na figura 4.29, com insuflação de ar através de caixa plenum, que possui defletores de fluxo para distribuição do ar.

Figura 4.29: Instalação mais comum do Self Contained.

Os condicionares de ar tipo self contained podem ser fornecidos com condensadores resfriados a ar ou com

condensação à água: - Condensação a ar: utiliza ventilador centrífugo para movimentar o ar entre as aletas do condensador. O ar

exterior do ambiente, ao passar entre as aletas do condensador, retira o calor do fluido refrigerante no estado de vapor. Este se condensa, passando do estado de vapor para o líquido.

- Condensação a água: há a necessidade de uma torre para o resfriamento da água. Essa água, ao passar pelo condensador, retira o calor do fluido refrigerante. O fluido refrigerante, perdendo o calor para água, vai se condensando e mudando os seu estado de vapor para estado líquido. Na figura 4.30 é mostrado um sistema de condensação a água.

Figura 4.30: Sistema de condensação a água.

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Figura 4.31: Rede de dutos para distribuição do ar condicionado nos ambientes.

4.4.4 Sistema de Água Gelada (Water Chiller) O Water Chiller é um equipamento em que seu evaporador tem a função de resfriar um fluido, esse fluido

pode ser somente água ou uma mistura (água, salmoura, etc).

Figura 4.32: Chiller com condensação a ar.

Nos sistemas de climatização (condicionamento de ar) de médio e grande porte, em um shopping center e

aeroportos, por exemplo, o Chiller faz o resfriamento da água. Já em sistemas de refrigeração, o Chiller faz o resfriamento de uma mistura.

Fan-Coil O Fan-Coil é um condicionador de ar que recebe a água gelada produzida no evaporador do Chiller. A

palavra ―Fan‖ está relacionada a ―ventilação‖ e a palavra ―Coil‖ está relacionada a ―Serpentina‖, então a serpentina e o ventilador são os dois componentes básicos que formam um Fan-Coil.

As figuras 4.33 e 4.34 mostram um circuito básico que ilustram a circulação da água gelada entre o evaporador, fan-coil e a B.A.G. (Bomba de Água Gelada).

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Figura 4.33: Detalhe da circulação da água gelada em um Chiller com condensação à Água. [5]

Figura 4.34: Detalhe da circulação da água gelada em um Chiller com condensação a Ar.[5]

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4.5 Sugestões para a escolha do sistema de AC mais indicado

O primeiro passo para a definição do sistema deve partir do cliente, em face do que pode gastar. Em seguida, entra o projetista que, pela sua experiência, pode definir o sistema mais indicado e tecnicamente possível. O projetista faz um esboço da instalação com pré-orçamento.

4.5.1 Split-systems:

Para instalações de pequeno porte, de área inferior a 70 m² (escritórios e residências), são mais indicados

aparelhos de janela ou split-systems (expansão direta). Vantagens:

Pode ser instalado em tetos, paredes no interior, sem precisar utilizar as janelas;

Na parte interna, só haverá um ventilador e o evaporador, ficando as partes barulhentas (compressor e condensador).

4.5.2 Selfs a água gelada

Para locais de áreas superiores a 400 m², como nos shoppings, bancos e indústrias, os sistemas self-

containers são mais indicados (expansão direta ou indireta) ou de água gelada. Para instalação até 14 TR, máquinas com condensadores a ar podem ser usadas. Se for maior, a condensação a água deve ser usada, o que implica a instalação de torres de arrefecimento, com bombas e tubulações hidráulicas que oneram a instalação em aproximadamente 30%. É necessário ter água em abundância e de boa qualidade. 4.5.3 Sistemas evaporativos

Para locais com grande número de pessoas, como restaurantes, casas de espetáculos, aeroportos,

academias de ginástica, indústrias de confecções, supermercado.

4.6 Escopo de Projetos de Ar condicionado e Ventilação 4.6.1 Estudo Preliminar

No estudo preliminar, o projetista deve dispor das plantas de arquitetura do prédio e, se possível, das plantas

de forma, para saber a localização das vigas e pilares. Deve saber as condições a serem estabelecidas no recinto: temperatura de bulbo seco, umidade relativa do

ar, movimentação do ar, grau de pureza, nível de ruído e porcentagem de renovação. Depois de conhecidos estes parâmetros, estará em condições de calcular a carga térmica e para tal, precisa

das seguintes informações:

Condições do ar exterior (TBS e TBU);

Natureza da construção das paredes, pisos e tetos;

Tipos das Janelas e sua proteção; temperatura dos recintos contíguos;

Orientação das dependências em relação ao sol;

Possibilidade de infiltração do ar exterior pelas portas e janelas;

Número de pessoas no recinto;

Carga elétrica total no recinto;

Outras fontes de calor, etc. 4.6.2 Elaboração do Anteprojeto

Nesta fase deve ser feita a escolha do sistema de condicionamento de ar, ventilação ou exaustão, depois de

uma comparação técnica e econômica com o s demais sistemas. Em seguida é feito o cálculo da carga térmica que nos conduz à potência frigorífica dos equipamentos. Nesta fase devem ser feitos desenhos preliminares de caminhamento das redes de dutos, dos arranjos

preliminares das unidades condicionadoras, ventiladora e exaustoras.

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4.6.3 Projeto Definitivo Nesta fase deve ser elaborada a memória de cálculo e o memorial descritivo, onde são especificados os

equipamentos e materiais, e também normas de serviço que serão utilizados no projeto. Em seguida devem ser apresentados os desenhos definitivos, com cortes e dimensionamentos dos dutos. Também devem ser apresentados layouts dos posicionamentos dos equipamentos em cada ambiente. No projeto definitivo também deve ser apresentado o orçamento, Os honorários para elaboração do projeto, dependendo do tamanho e da complexidade da instalação, pode

variar ao redor de 3% a 10% do seu custo, valor certamente muito menor que o prejuízo que uma instalação inadequada poderá causar, seja pelo alto custo de operação e manutenção, seja pelas reformas que serão necessárias para que ela passe a atender às necessidades do edifício.

4.6.4 PMOC

A Portaria nº 3523, de 28/08/1998 do Ministério da Saúde, tornou obrigatório implementar e manter

disponível no imóvel um PMOC (Plano de Manutenção, Operação e controle) para os sistemas de climatização com capacidade acima de 5TR ou 60.000 BTU/h.

Os requisitos para cumprir as exigências são:

Elaborar e manter o PMOC: Dados sobre os sistemas a serem mantidos com o detalhamento das atividades a serem realizadas pela equipe de manutenção e os respectivos registros comprovando a execução das mesmas.

Responsabilidade técnica: O plano deve ser supervisionado por profissional habilitado (engenheiro mecânico ou técnico em refrigeração e ar condicionado). Esse profissional deve emitir de ART (Anotação de Responsabilidade Técnica) dos serviços realizados.

Análises microbiológicas semestrais: Devem ser realizadas por laboratórios especializados. Na ocorrência de análises fora de parâmetros devem ser adotadas ações corretivas.

21. Considere o desenho em vista explodida de um condicionador de ar do tipo janela. Para cada número indicado, diga o nome do componente e sua função.

22. Basicamente, os sistemas de ar-condicionado classificam-se em dois grandes grupos: os de expansão direta e os de expansão indireta. Diferencie-os e depois faça um esquema simples mostrando a diferença entre eles. 23. Quais as vantagens do sistema de condicionamento de ar Split em relação aos demais? 24. Qual a função do sifão em uma instalação de ar condicionado? 25. Faça uma breve pesquisa e diga como são classificados os Split-systems? 26. Como é o funcionamento da válvula inversora?

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Iniciando o estudo sobre ar condicionado, é apresentado de maneira simples, rápida e interessante como

calcular a carga térmica do ambiente. Este cálculo dará segurança na compra ou sugestão de um aparelho com maior/menor capacidade de condicionamento do ar.

Os condicionadores de ar comerciais possuem capacidades variadas de refrigeração, expressas em kcal/h ou BTU/h (British Thermal Unit) que acham-se especificadas na placa de Identificação do equipamento. Assim sendo, existe um modelo ideal para cada ambiente e só há uma maneira para a escolha correta do equipamento: o cálculo da carga térmica.

Chama-se a atenção para a importância de se observar criteriosamente estas instruções, pois os aparelhos instalados com a carga térmica inadequada não terão condições de oferecer todo o conforto esperado.

Os engenheiros das empresas fornecedoras de ar condicionado elaboraram uma planilha simplificada (Anexo 1) que atende as especificações da NBR 16401:2008 e que agiliza o trabalho de levantamento e de cálculo da carga térmica.

Basicamente, o seu preenchimento consiste na elaboração de croqui (planta baixa) do ambiente onde o aparelho será instalado, do registro das medidas tomadas e dos dados obtidos através do cálculo.

No entanto, é necessário seguir as etapas seguintes, uma vez que, a cada uma delas, correspondem observações e instruções importantes. 5.1 Cálculo da Carga Térmica Simplificada

Croqui da instalação: o Medir a sala: paredes e aberturas, em metros. o Representar graficamente, os contornos (paredes) e as aberturas (portas/janelas). o Determinar a orientação solar, indicando o lado norte com uma seta.

TIPO 1 - Janelas com Insolação: São as janelas que recebem calor pela incidência direta dos raios solares.

o Determinar a área das janelas (m²) e sua orientação solar, posição em relação aos pontos cardeais.

o A seguir, determina-se o tipo de proteção das janelas.

Figura 5.1: Janelas com proteção externa e interna.

o Somar as áreas das janelas de mesma orientação solar e mesmo tipo de proteção (proteção interna, externa, s/proteção).

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Tipo 1 – Janelas com insolação Sem proteção Proteção

Interna

Proteção

Externa

Unidade x Fator

Necessidades de

Refrigeração (kcal/h)

1.1 – Norte 240 115 70

1.2 – Nordeste 240 95 70

1.3 – Leste 270 130 85

1.4 – Sudeste 200 85 70

1.5 – Sul 0 0 0

1.6 – Sudoeste 400 160 115

1.7 – Oeste 500 220 150

1.8 – Noroeste 350 150 95

o Multiplicar as áreas acima pelos respectivos coeficientes. (Fatores constantes na planilha). o Registrar os resultados na planilha, ―unidade x fator‖. o Transportar somente o maior valor obtido para a coluna: ―Necessidades de Refrigeração‖.

TIPO 2 - Janelas de transmissão: É o calor ganho por condução/convecção através de todas as janelas.

Tipo 2 – Janelas Transmissão Fator

2.1 – Vidro Comum 50

2.2 – Tijolo de Vidro/Vidro Duplo 25

o Determinar o tamanho e área de todas as janelas, multiplicar as áreas pelos respectivos fatores

(Vidro comum ou Vidro duplo). o Somar os valores obtidos e registrar o resultado na planilha.

Figura 5.2: Diferença entre Janelas de Condução e Insolação.

TIPO 3 - Paredes:

Tipo 3 – Paredes Construção

Leve

Construção

Pesada

3.1 – Externas voltadas para o Sul 13 10

3.2 – Externas outras orientações 20 12

3.3 – Internas voltadas para Ambientes

não condicionados

8

o Determinar a área das paredes. o Incluir as portas e excluir as janelas. o Verificar se há paredes externas voltadas para o sul ou internas, que recebam calor de áreas sem

ar condicionado. o Multiplicar a quantidade de m² de parede pelos respectivos fatores (constantes na planilha).

Obs: Paredes constantemente sombreadas, considerar como orientação sul. Paredes com até 0,15m considerar construção leve, acima deste valor considerar construção pesada.

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TIPO 4 - Teto:

Figura 5.3: Teto sem isolamento e com isolamento.

o Determinar a área (m²) do teto; o Multiplique a área pelo fator da planilha.

Tipo 4 – Teto Fator

4.1 – Em laje 75

4.2 – Laje com 2,5cm ou mais de

isolação

60

4.3 – Entre Andares 13

4.4 – Sob Telhado Isolado 18

4.5 – Sob Telhado sem isolação 40

TIPO 5 - Piso:

o Determinar a área (m²) do piso; o Multiplique a área pelo fator da planilha.

Tipo 5 – Piso Fator

5.1 Piso não colado diretamente sobre o

solo

13

Obs: Piso sobre o solo não deve ser considerado.

Figura 5.4: Piso não colado diretamente no solo.

TIPO 6 - Pessoas:

o Determinar o número de pessoas que ocupam o ambiente. o Multiplique esse número pelo fator correspondente da planilha.

Tipo 6 – Pessoas Fator

6.1 Número de pessoas 150

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TIPO 7 – Iluminação e Aparelhos:

o Determinar o número de watts das lâmpadas e dos aparelhos elétricos em uso no ambiente e que permaneçam ligados durante o funcionamento do aparelho condicionador de ar.

o Multiplique esse número pelo fator correspondente da planilha.

Tipo 7 – Iluminação e Aparelhos Fator

7.1 Lâmpadas ou Aparelhos Elétricos 1

TIPO 8 – Porta e Vãos:

o Considere as portas ou vãos constantemente abertos para ambientes sem ar condicionado. o Determine a área das portas ou vãos. o Multiplique a área pelo fator correspondente da planilha.

Tipo 8 – Portas ou Vãos

8.1 Abertos constantemente para áreas

não condicionadas

150

Obs: havendo portas ou vãos com largura superior a 1,5m, considerar o ambiente contíguo no cálculo da carga térmica.

Fatores Climáticos das Regiões Brasileiras:

o Multiplique o valor do subtotal pelos Fatores Climáticos do mapa. O resultado obtido exprime a Carga Térmica Total, expressa em kcal/h. Para obtê-la em BTU/h, multiplique o resultado por (4) quatro.

Figura 5.5: Fatores climáticos das regiões brasileiras. [9]

Capital Fator

Rio de Janeiro 1,0

São Paulo 0,85

Vitória 1,0

Belo Horizonte 0,85

Manaus 1,05

Porto Alegre 0,9

Goiânia 1,0

Fortaleza 0,95

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Exemplo 5.1: Calcular a carga térmica da sala de reuniões mostrada a seguir. Dados do recinto:

Pé direito: 2,8 m;

Janela voltada para o norte não possui proteção contra o sol;

Janela voltada para o oeste possui persianas;

Capacidade: 8 pessoas;

Localizado no Térreo em um prédio de 2 andares;

Teto do prédio está sob telhado isolado;

Construção leve;

Ambientes Contíguos não refrigerados;

Equipamentos elétricos totalizam 50 watts;

Iluminação: 2 lâmpadas de 40 watts;

Exemplo 5.2: Calcular a carga térmica da concessionária mostrada a seguir. Dados do recinto:

Pé direito: 3,5 m;

Nenhuma janela possui proteção;

Capacidade: 15 pessoas;

Andar único;

Laje com telhado e sem isolamento;

Construção pesada;

Ambientes Contíguos não refrigerados;

Janela voltada para o Oeste – 2,0 m x 1,5 m

Janela voltada para o Norte – 2,5 m x 1,5 m

Porta – 1,0 m x 2,5 m

Equipamentos elétricos totalizam 250 watts;

Iluminação: 8 lâmpadas de 40 watts;

A porta é aberta constantemente

J01 – 17,0m x 2,10 m

J02 – 12,0m x 2,10 m

P01 – 2,5m x 2,5m

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5.2 Cálculo Estimado da Carga Térmica Sem Simplificações

Carga térmica é a quantidade de calor sensível e latente, geralmente expressa em BTU/h, ou kcal/h, que deve ser retirada ou colocada no recinto a fim de proporcionar as condições de conforto desejadas.

Essa carga térmica pode ser introduzida no recinto a condicionar por:

Condução;

Insolação;

Dutos;

Pessoas;

Equipamentos;

Infiltração;

Ventilação.

5.2.1 Carga de condução A expressão geral da transmissão de calor por condução e por hora ser expressa, para materiais

homogêneos, paredes planas e paralelas:

Onde:

q = taxa de fluxo de calor transmitida em kcal/h A = área da superfície normal ao fluxo em m² x = espessura do material em metros; K = condutividade térmica do material por unidade de comprimento e unidade de área em kcal/h . m . °C = diferença de temperatura entre as duas superfícies separadas pela espessura x em °C Quando o material não é homogêneo, como, por exemplo, uma parede construída com tijolos, massa e

isolamento, a equação toma a seguinte forma:

Onde: q = fluxo de calor em kcal/h; A = área em m²; C = condutância em kcal/h . m² . °C

= diferença de temperatura entre as superfícies em °C A transferência de calor do ar a uma superfície, ou vice-versa, se processa por meio da condutância da

superfície de contato ou filme. A condutância superficial é a quantidade de calor transferido, em kcal/h, do ar para a superfície, ou vice-

versa, por metro quadrado e por °C de diferença de temperatura. Se o fluxo for uniforme, esta transferência pode ser expressa pela fórmula:

Onde:

q = fluxo de calor em kcal/h; A = área em m²; h = condutância superficial em kcal/h . m² . °C

= diferença de temperatura entre a superfície e o ar em contato em °C Os valores de h dependem da cor e rugosidade da superfície, bem como da velocidade do vento. Os valores médios para h são:

• Ar parado = 7,13 a 7,96 kcal/h . m² . °C • Ar a 12 km/h = 19,5 kcal/h . m² . °C • Ar a 24 km/h = 29,3 kcal/h . m² . °C

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Nos cálculos da carga térmica do ar condicionado, usa-se um coeficiente U, mais fácil de ser obtido, medindo-se a temperatura do ar em ambos os lados da superfície. Esse coeficiente é chamado coeficiente global de transmissão de calor.

Onde: A = área em m²; U = coeficiente global de transmissão de calor em kcal/h . m² . °C

= diferença de temperatura em °C Quando se usam vários materiais nas pareces que separam os ambientes, para cálculos mais precisos

utilizam-se as resistências que cada material opõe ao fluxo. Essas resistências são os inversos das condutividades e condutâncias e são somadas do mesmo modo que

resistência s em série de um circuito elétrico.

O quadro a seguir mostra a condutividade de condutância de materiais para construção.

Tabela 5.1: Coeficientes de Transmissão de Calor dos Materiais de Construção.[2]

Material Condutividade Condutância

1. Acabamentos:

- cimento asbestos

- gesso ½‖

- lambris

- lambris de ¾‖

- fibra de madeira

- emboço ou reboco (2cm)

2. Alvenaria:

- lã mineral (vidro ou rocha)

- verniculite

- concreto simples

- massa de cimento com agregados

- concreto com areia e pedra

- estuque

- tijolo comum (meia-vez)

- tijolo comum (uma-vez)

- tijolo de concreto furado de

- tijolo de concreto furado de

- ladrilho ou cerâmica

- alvenaria de pedra

3. Isolamentos:

- fibras de lãs minerais (vidro ou rocha)

- fibra de madeira

- vidro celular

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- cortiça

- fibra de vidro

- isoflex (Santa Marina)

4. Argamassas:

- nata de cimento com areia

- nata de gesso com areia

- agregado com verniculite

5. Cobertura:

- placa de agregado de asfalto

- teto com

6. Madeiras:

- de lei (cedro, canela etc.)

- pinho

Exemplo 5.2: Determine o coeficiente global de transmissão de calor para uma parede composta das seguintes camadas:

5.2.2 Carga devida à insolação – Calor Sensível A mais poderosa energia que a superfície da Terra recebe do universo é a energia sola, que já está sendo

aproveitada pelo homem como fonte térmica. Essa energia é, quase sempre, a responsável pela maior parcela da carga térmica nos cálculos do ar

condicionado, em geral como radiação e convecção. Por absorção, a energia de radiação solar pode ser introduzida nos recintos tanto em maior quantidade

quanto menos brilhante for a superfície refletora. Com isso temos a seguinte tabela, que dá uma ideia do percentual de energia radiante em função da cor:

Tabela 5.2: Percentual de Energia Radiante em Função da Cor. [2]

Calor Refletido Calor Absorvido

Alumínio polido 72% 28%

Vermelho-claro 37% 63%

Preto 6% 94%

É evidente que este percentual é também uma função da rugosidade da superfície. Assim, a temperatura dos

tetos e paredes depende dos seguintes fatores: • Coordenadas geográficas do local (latitude); • Inclinação dos raios do Sol; • Tipo de Construção • Cor e rugosidade da superfície; • Refletância da superfície.

Para estimativa de carga térmica, será importante saber o horário de utilização da dependência e fazer o

cálculo para a incidência máxima do Sol. No Hemisfério Sul, como se pode ver na tabela 3.5, nos meses de verão, a parede que recebe maior

insolação é a voltada para oeste e entre 16 e 17 h, para as claraboias (teto de vidro), ao meio-dia.

1 – Emboço – 2 cm

2 – Tijolo comum de uma vez – 20 cm

3 – Madeira de lei – 2,54 cm

Velocidade do ar exterior: 24 km/h

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Embora se conheça com certa precisão a quantidade de calor por radiação e convecção oriundos do Sol, a parcela que penetra nos recintos não é bem conhecida.

Transmissão de calor do Sol através de superfícies transparentes (vidro) A energia radiante oriunda do Sol incidente em uma superfície transparente subdivide-se em três partes:

• Uma que é refletida (q1); • Uma que é absorvida pelo vidro (q2); • Uma que atravessa o vidro (q3).

Q = q1 + q2 + q3

Figura 5.6: Transmissão do calor solar através do vidro.

A parcela q3, que penetra no recinto é a que vai nos interessar nos cálculos da carga térmica. Na tabela 5.3, de origem americana, temos os valores do fator solar obtido por ensaios para esta parcela em

kcal/h por m² de área de vidro, ou W/m², supondo-se a janela sem proteção. Tabela 5.3: Percentual Coeficiente de Transmissão do Calor Solar Através de Vidros (Fator Solar). [2]

22°54 ’Latitude Sul (Fator Solar) de Áreas de Vidro Valores Máximos em Cada

orientação entre Setembro

e Março

Verão

Hora Local

Dia do Ano Face do Prédio

20 F

EV

ER

EIR

O

23 O

UT

UB

RO

S

SE

L

NE

N

NO

O

SO

CLARABÓIA

Caso seja protegida por toldos ou persianas, deve-se multiplicar os valores obtidos, pelos seguintes

coeficientes de redução: • Toldos ou persisanas externas: 0,15 – 0,20 • Persianas internas e reflexoras: 0,50 – 0,66 • Cortinas internas brancas (opacas): 0,25 – 0,61 Obs.: Estes valores são para janelas com esquadrias de madeiras; para esquadrias metálicas multiplicar

por 1,15.

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Exemplo 5.3: Determine a quantidade de calor solar transmitido através de uma janela de vidro sem proteção, com os seguintes dados:

• Dimensões: 4,00 x 2,00 m; • Local: Rio Janeiro; • Hora: 16 h; • Data: 20 de fevereiro; • Janela voltada para oeste.

Transmissão de calor do Sol através de superfícies opacas As paredes, lajes e telhados transmitem a energia solar para o interior dos recintos por condução e

convecção, segundo a fórmula:

[ ] Onde:

A = área em m²; U = coeficiente global de transmissão de calor em kcal/h . m² . °C Te = temperatura do exterior em °C; Ti = temperatura do interior em °C; t = acréscimo ao diferencial de temperatura dado pela tabela 5.4.

Tabela 5.4: Acréscimo ao Diferencial de Temperatura em °C. [2]

Superfície Cor Escura Cor Média Cor Clara

Telhado 25,0 16,6 8,3

Parede L ou O 16,6 11,1 5,5

Parede N 8,3 5,5 2,7

Parede S 0 0 0

Exemplo 5.4: Determine o fluxo de calor solar através da parede, onde:

• A = 10,0 m x 3,0 m; • U = 1,02 kcal/h . m² . °C; • Te = 32°C; • Ti = 25°C; • Parede voltada para oeste e tem cor clara.

5.2.3 Carga devida aos dutos O ar insuflado em um recinto condicionado retorna ao condicionador por meio da diferença de pressão que

lhes é fornecida pelo ventilador. O retorno do ar pode ser feito de duas maneiras: 1. Sob a forma de plenum, ou seja, utilizando um ambiente como próprio recinto, um corredor, o teto

rebaixado etc., como se fosse um condutor de ar; 2. Utilizando dutos de retorno.

Em ambos os casos é adicionado calor ao ar de retorno, que deve ser retirado pelas serpentinas do

evaporador. Normalmente, o projetista do ar condicionado determina a carga térmica devida aos dutos sem que os

mesmos estejam calculados. Para calcular os dutos, precisa-se saber a quantidade de ar a ser insuflado no recinto, e esta quantidade de

ar depende da carga térmica. O caminho mais prático para resolver o impasse é estimar o traçado e as dimensões dos dutos, e, assim que

se chegar à quantidade de ar a ser insuflado no recinto, e tendo-se calculado o sistema de dutos, fazer uma verificação para constatar se a estimativa da carga térmica devida aos dutos foi adequada.

Se estiver dentro da margem de 10% de erro, não há necessidade de se recalcular a carga térmica. A carga térmica devida aos dutos é:

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Onde:

q = watts ou kcal/h; A = área lateral do duto exposta ao calor, em m²; U = coeficiente global de transmissão de calor dado pela tabela 5.5. = diferencial de temperatura entre o ar exterior e o ar interior ao duto, em °C.

Tabela 5.5: Coeficiente Global de Transmissão de Calor U para os Dutos em BTU/h por Pé Quadrado de Área Lateral e em kcal/h.m².ºC de Área Lateral. [2]

Tipo de Duto

Chapa metálico, não-isolada

Isolado com polegada

Isolado com polegada

Isolado com polegada

Isolada com polegadas

Exemplo 5.5: Determine a carga térmica devida a um duto de retorno com as seguintes condições:

• Comprimento do duto: 30 m; • Dimensões do duto: 60 x 45 cm; • Isolamento: isopor de 1 polegada (2,54 cm); • Temperatura do ar retorno: 25°C; • Temperatura do ar exterior: 32°C.

Depois compare o resultado encontrado com tubo nas mesmas condições mas sem isolamento.

5.2.4 Carga devida às pessoas Todo ser humano emite calor sensível e calor latente, que variam conforme esteja o indivíduo em repouso ou

em atividade. Considerando-se que a temperatura média normal de uma pessoas é de 37°C, verifica-se

experimentalmente que quanto maior é a temperatura externa, maior é a quantidade de calor latente emitida, e quanto menor esta temperatura, maior é o calor sensível.

Se a temperatura exterior é superior a 37°C, o calor é transferido do exterior para o corpo, e isso provoca a transpiração e em consequência a eliminação de vapor d’água pela respiração, adicionando apenas calor latente ao ar.

Se a temperatura exterior é inferior a 15,6°C, a transferência de calor se dá do corpo para o ambiente, porém somente na forma de calor sensível.

Entre essas temperaturas externas, ou seja, entre 15,6 e 37°C, o corpo humano emite calor sensível e calor latente ao ambiente, mantendo constante o calor total.

A tabela 5.6, baseada na NBR 16401, dá os valores do calor liberado pelas pessoas em função da temperatura e da atividade.

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Tabela 5.6: Calor liberado pelas pessoas. [2]

Temperatura

Ambiente

Pessoa Sentada ou em Movimento Lento Pessoa em Exercício Físico Moderado

Calor Sensível Calor Latente Calor Total Calor Sensível Calor Latente Calor Total

Exemplo 5.6: Um teatro com 500 lugares deverá ser mantido a 25°C. É previsto um máximo de 20 artistas trabalhando ao mesmo tempo. Qual deverá ser a carga térmica devida às pessoas?

5.2.5 Carga devida aos equipamentos

Carga devida aos motores – Calor sensível Os motores elétricos, quer dentro do recinto, em qualquer ponto do fluxo de ar, quer mesmo nos ventiladores,

adicionam carga térmica ao sistema devida às perdas nos enrolamentos, e essa carga precisa ser retirada pelo equipamento Frigorígeno.

É preciso levar em conta se o motor está sempre em funcionamento ou se a sua utilização é apenas esporádica.

Para os ventiladores, temos as seguintes fórmulas:

Ventiladores dentro da corrente de ar:

Ventiladores fora da corrente de ar:

Exemplo 5.7: Um ventilador de insuflamento de ar em recinto a ser condicionado é do tipo centrífugo (dentro da corrente de ar) e está acoplado a um motor de 7,5 cv. Pelo catálogo do fabricante, está registrado um rendimento de 85%. Qual a carga térmica adicionada ao ar circulante?

Para outros motores que porventura permaneçam no recinto condicionado (elevadores, bombas, máquinas

elétricas, perfuradoras, etc.), temos as fórmulas:

(

) (

)

Na tabela 5.7 tem-se o ganho de calor por HP para os motores elétricos, em função da sua potência.

𝜂 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

𝜂 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 67

Tabela 5.7: Ganho de Calor em Watts por HP para Motores Elétricos

Potência Rendimento Aproximado Ganho de Calor

Até

Maior que

• Carga devida à iluminação – Calor Sensível

Iluminação incandescente:

q = total em watts, em unidades SI; q = watts x 3,4, quando q é dado em BTU/h

Iluminação fluorescente:

q = total de watts x fator devido ao reator.

Para se ter a carga térmica em kcal/h, usar a relação: 1 kWh = 860 kcal. A iluminação fluorescente necessita de um equipamento adicional para prover a tensão necessária à partida

e, após esta, a limitação de corrente. Esse equipamento é o reator, que adiciona cerca de 20% de carga. Deve-se levar em conta, no cálculo da carga térmica, que nem sempre todas as lâmpadas estão ligadas na

hora que se tomou por base para o cálculo; geralmente na hora em que a carga térmica de insolação é máxima muitas lâmpadas podem estar desligadas. Exemplo 5.8: Um equipamento de ar atende ao restaurante, ao salão de estar e à portaria de um hotel onde temos a seguinte iluminação:

- Restaurante: 50 aparelhos de luz fluorescente de 4 x 40W; - Salão de estar: 20 lustres, cada qual com 8 lâmpadas incandescentes de 100W; - Portaria: 10 lâmpadas de 150 W, incandescentes.

Deseja-se saber a carga térmica devido à iluminação.

• Carga devida aos equipamentos de gás – Calor Sensível e calor Latente Em locais como cozinhas, laboratórios, restaurantes, cafeterias, etc., pode haver equipamentos de gás, cuja

queima pode adicionar à carga térmica do recinto mais duas parcelas: • Carga devido à queima direta do gás; • Devido ao vapor formado.

A tabela 5.8 apresenta os valores aproximados para os diferentes tipos de utilização do gás.

Tabela 5.8: Ganho de Calor Devido ao Gás. [2]

Aparelho

Máxima Carga

Provável

Carga Estimada (sem Coifa) Carga Estimada (com Coifa)

Só Sensível Sensível Latente

Máquina de café

(por queimador)

Aquecedor de alimentos (banho-

maria) (por )

Fritadeira

(capac. )

Fogão

(por queimador)

Torradeira

(capac. )

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Exemplo 5.9: Um restaurante possui os seguintes equipamentos instalados sem coifa: • Três aquecedores de alimentos de 2,0 m x 1,0 m; • Uma torradeira com capacidade de 360 fatias por hora; • Uma máquinas de café de 12 litros de capacidade.

Calcular a carga térmica de calor sensível e calor latente.

• Carga devida às Tubulações– Calor Sensível Em casos raros, provavelmente instalações industriais, um recinto a ser condicionado pode ser atravessado

por tubulações de água quente ou vapor, o que introduz mais uma parcela no cálculo da carga térmica. A tabela 5.9 traz a carga térmica devida às tubulações quentes em W/m.

Tabela 5.9: Carga Térmica Devida às Tubulações Quentes (W/m). [2]

(Temperatura do Recinto: )

Água Quente a Vapor a

Sem Isolamento

Isolamento com Asbestos Polegada

Fibra de Vidro

Polegada

Sem Isolamento

Isolamento com

Asbestos Polegada

Fibra de Vidro Polegada

Polegada

Exemplo 5.10: Em uma instalação industrial, um recinto com ar condicionado a 26°C é atravessado por uma tubulação de água quente a 80°C, cujo o diâmetro é de 75 mm (3‖). O comprimento total da tubulação é de 45 m. Calcular a carga térmica introduzida no recinto por hora, se a tubulação não é isolada.

5.2.6 Carga devida à infiltração

O movimento do ar exterior ao recinto possibilita a sua penetração através das frestas nas portas, janelas ou outras aberturas.

Tal penetração adiciona carga térmica sensível ou latente. Embora essa carga não possa ser calculada com precisão, há dois métodos que permitem a sua estimativa:

• Método da Troca de Ar; • Método das Frestas;

5.2.6.1 Método da Troca de Ar Neste método se supõe a troca de ar por hora dos recintos, de acordo com o número de janelas e com base

na tabela 5.10:

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 69

Tabela 5.10: Trocas de Ar por Hora nos Recintos. [2]

Janelas Existentes Trocas por Hora

Nenhuma janela ou porta para o exterior

Janelas ou portas em parede

Janelas ou portas em paredes

Janelas ou portas em paredes

Lojas

Troca o ar significa renovar todo ar contido no ambiente por hora. Com isso teremos o calor do ar exterior

aumentado o do ar do recinto. Assim, se num quarto temos, por exemplo, três paredes com janelas em contato com o exterior, o calor

devido à infiltração é caliculado na vase de duas trocas por hora. O calor sensível adicionado no recinto é dado pela fórmula:

Onde:

[

]

Exemplo 5.11: Determine a carga de calor sensível introduzida pelo ar em um recinto com as seguintes características:

- Q = 169,8 MCM; - te = 35°C; - ti = 26,1 °C.

5.2.6.2 Método das Frestas; A penetração do ar exterior no interior do recinto depende da velocidade do vento. Estudos de laboratório

consignados na tabela 5.11, multiplicados pelo comprimento linear da fresta, dão a quantidade de calor que penetra no recinto.

Tabela 5.11: Infiltração de Ar Exterior. [2]

Ar pelas Frestas

Tipo de Abertura Observação por Metro de Fresta

Janela

- comum 3,0

- basculante 3,0

- guilhotina c/ caixilho de madeira Mal ajustada 6,5

Bem ajustada 2,0

- guilhotina c/ caixilho metálico Sem vedação 4,5

Com vedação 1,8

Porta Mal ajustada 13,0 Bem ajustada 6,5

Ar pelas Portas

Local m³/h por pessoa presente no recinto condicionado

Porta Giratória (1,80 m) Porta de Vaivém (0,90 m)

Bancos 11 14

Barbearias 7 9

Drogarias e farmácias 10 12

Escritórios em geral - 7

Lojas em geral 12 14

Quartos de hospitais - 7

Restaurantes 3 4

Salas de chá ou café 7 9

Ar pelas Portas Abertas

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 70

Porta de 90 cm – 1.350 m³/h Porta de 180 cm – 2.000 m³/h

Para contrabalançar a infiltração com tomada de ar nos condicionadores: Porta de 90 cm – 1.750 m³/h Porta de 180 cm – 2.450 m³/h

Quando no recinto a pressão do ar é superior à do ar exterior, não há penetração do ar de fora e essa

parcela pode ser desprezada. O ar introduzido aumenta a carga térmica em calor sensível e calor latente. A carga de calor sensível é dada pela expressão:

Onde:

5.2.7 Carga devida à Ventilação

Já foi dito que o ar insuflado num recinto condicionado retorna ao equipamento de refrigeração, impulsionado

pelo ventilador que deve ser dimensionado de modo a vencer todas as perdas de cargas estáticas e dinâmicas que são oferecidas em todo o circuito do ar.

Parte desse ar é perdido pelas frestas, aberturas, exaustores etc. precisando ser recompletada pelo ar exterior. Além desse ar que recompleta as perdas, há o ar necessário às pessoas, em metro cúbicos por hora, dados esse fornecidos pela tabela 5.12, baseado na NBR 16401.

Este ar exterior introduz calor sensível e latente ao ser misturado com o ar de retorno antes de passar pelo evaporador.

Tabela 5.12: Ar Exterior para Ventilação. [2]

Local Pessoa

Preferível Mínima

Apartamentos

Bancos

Barbearias

Bar

Cassinos – grill – room

Escritório geral

Estúdios

Lojas

Quartos (hospitais)

Quartos (hotéis)

Residências

Restaurantes

Salas de diretoria

Salas de operação (hospitais)

Teatros – cinemas – auditórios

Salas de aula

Salas de reunião

Aplicações gerais

por pessoa (não fumando)

por pessoa (fumando)

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 71

Exemplo 5.12: Retomemos o exemplo da carga térmica de um teatro com 500 lugares. Queremos saber qual a quantidade de ar que deve ser fornecida pelo exterior. Qual será a carga térmica devida à ventilação, se a temperatura e a umidade do ar interior e exterior são:

- Interior – 25°C e 0,011 kg/kg de ar seco; - Exterior – 32°C e 0,021 kg/kg de ar seco.

Exemplo 5.13: No recinto da figura mostrada, temos os seguintes dados:

- Ar de Insuflamento: 424,5 MCM; - Ar de Retorno: 339,6 MCM; - Perdas nas frestas: 17 MCM; - Perdas por exaustão: 48,1 MCM.

Calcular a quantidade de ar exterior e ar de excesso.

5.2.8 Carga térmica total

Conhecida a carga térmica devida a condução, insolação, dutos, pessoas, equipamentos, infiltração e ventilação, e adicionando-os, temos o somatório de calor sensível e calor latente a retirar (ou introduzir) do recinto para obter as condições de conforto desejadas.

Somando ambos, tem-se o calor total. Como medida de segurança, para atender às infiltrações eventuais de calor no recinto, acrescenta-se mais

10% aos cálculos. Para calcular a TR, dividir por 3,024 kcal/h.

5.2.9 Total de Ar insuflamento

Conhecida a carga térmica de calor sensível a ser retirada do recinto e as condições do ar interior e de

insuflamento, podemos conhecer a quantidade total de ar, usando a mesma expressão:

Ou

Onde: Q= vazão de ar em m³/h. ti e te = temperaturas em °C. qS = kcal/h.

Exemplo 5.14: O total de ganho de calor sensível em um recinto é de 120.000 kcal/h. A temperatura de bulbo seco do interior é de 25°c e a do ar de insuflamento é de 18°C. Calcular a quantidade de ar a ser insuflado pelo ventilador. Exemplo 5.15: A quantidade total de ar a ser insuflado em um recinto é de 5.500 m³/h. O interior deve ser mantido a 26°C e o ar infiltra no interior com a temperatura de 19°C. Qual a quantidade de calor sensível que pode ser absorvida pela circulação do ar?

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 72

5.2.10 Cálculo da absorção da umidade dos recintos

Para manter o ar do recinto dentro das condições de conforto desejadas para verão, temos que remover a

sua umidade. O ar lançado no recinto absorve essa umidade, e a temperatura de seu ponto de orvalho cresce. Desse

modo, a temperatura do ponto de orvalho do ar de insuflamento deve ser inferior à do ar do recinto. Também a temperatura de bulbo seco do ar de insuflamento cresce quando este fica em contato com ar do

ambiente condicionado. A umidade absorvida pode ser expressa do seguinte modo:

Onde: Pv = massa total do vapor d’água absorvido em kg/h; m = massa do ar em kg/h; Dg = variação da umidade do ar de insuflamento em kg/kg.

Ou também:

Onde: Q = vazão de ar em m³/h; UE2 = umidade específica na entrada em kg/kg de ar seco; UE1 = umidade específica na saída em kg/kg de ar seco.

Exemplo 5.16: A umidade específica de um recinto condicionado deve ser mantida a 0,010 kg/kg. O ar de insuflamento tem a vazão de 1.500 metros cúbicos por hora e sua umidade específica é de 0,025 kg/kg. Qual a quantidade de umidade absorvida por hora no recinto?

5.2.11 Cálculo do calor latente

Para dimensionar o equipamento de desumidificação do ar para as condições desejadas, é preciso saber a carga de calor latente. Desse modo, este equipamento proporcionará a condensação da umidade adicionada ao ar circulante no ambiente condicionado.

Conforme visto anteriormente, o calor latente liberado pela condensação do vapor d’água é de 583 kcal/h por kg de vapor condensado. Assim:

Onde:

m = massa do vapor d’água condensado em kg/h.

Para se poder avaliar o valor do condensado, utiliza-se a diferença de entalpias entre o ar de suprimento e o ar na temperatura do ambiente.

Assim, tem-se:

Onde: Q = vazão de ar em m³/h; DL = variação de entalpia do calor latente em kcal/kg. Para o ar padrão, tem-se: = 1,2 kg/m³. Então:

Na tabela 5.13 é apresentado os valores para entalpia de vapor saturado para misturas com o ar à pressão

atmosférica normal (76 cm de mercúrio).

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Tabela 5.13: Propriedades das Misturas do ar do ar e vapor de água saturado à pressão atmosférica normal. [2]

Temp. °C

Massa do vapor saturado por massa de ar seco

g/kg

Entalpia do vapor saturado kJ/kg

4,44 5,21 13,16

5,0 5,42 13,60

6,67 6,09 15,30

7,78 6,58 16,54

8,89 7,10 17,86

10,0 7,66 19,28

12,22 8,89 22,43

15,0 10,69 27,0

18,33 13,26 33,60

20,0 14,75 37,42

23,33 18,19 46,23

25,0 20,16 51,33

27,77 23,89 60,93

30,0 27,31 69,77

32,22 31,18 79,80

34,44 35,56 91,12

35,0 36,73 94,17

38,33 44,60 114,62

40,0 49,11 126,34

43,33 59,40 153,30

45,0 65,40 168,74

Exemplo 5.17: Um recinto deve ser mantido à temperatura de bulbo seco de 25°C. O ar de insuflamento é lançado pelo ventilador com vazão de 150 m³/h e na temperatura de bulbo seco de 10°C. Qual a carga de calor latente que deve ser retirada pelo equipamento de desumidificação?

5.2.12 Cálculo do calor total usando a carta psicrométrica Expressões semelhantes às anteriores podem ser usadas para calcular o calor total a ser retirado do recinto,

conhecendo-se as condições do recinto e do ar a ser insuflado:

Ou

Onde: = calor total em kcal/h; Q = vazão de ar em m³/h; m = massa de ar circulante em kg/h; Dh = variação de entalpia do ar do insuflamento em kcal/kg. 5.2.13 Determinação das condições do ar de insuflamento O cálculo da carga térmica de um recinto conduz o calculista ao total de calores sensível e latente, cuja soma

fornece o calor total (qT).

Dividindo-as, tem-se:

A relação qs/qT é chamada de razão de calor sensível (RCS), ou seja, o percentual do calor sensível para o

calor total. Conhecida como RCS, através da carta psicrométrica, pode-se obter as condições do ar ao entrar no recinto, desde que se conheçam as condições a serem mantidas no ambiente condicionado.

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O projetista de ar condicionado deve escolher as condições do ar de insuflamento – em um ponto da reta RCS. Essas condições serão as fornecidas pelo equipamento de refrigeração e devem obedecer às especificações do fabricante.

Em resumo, o equipamento de refrigeração selecionado deve ser capaz de reduzir as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do ar circulante para um ponto que caia sobre a reta RCS. Essa reta traduz a quantidade de calor sensível e latente a ser retirada do ambiente condicionado.

Normalmente, o ar, ao atravessar as serpentinas do evaporador ou outro trocador de calor, tem alta umidade relativa. Em nosso estudo do uso da carta psicrométrica e cálculo da carga térmica, tomaremos esta umidade como de 90%, porém, para um caso real é necessário conhecer as características do equipamento.

Ar de exterior ―by-passado‖ Há casos em que o exterior não passa pelas bobinas de esfriamento, porém se mistura com o ar de

suprimento para ser insuflado novamente no recinto. Isto não afeta a temperatura do BS nem a umidade relativa do ambiente, conforme se pode constatar no exemplo a seguir. Exemplo 5.18: Um ambiente tem as seguintes características: - TBS = 26°C - UR = 50% - Ganho de calor sensível = 10.000 kcal/h - Ganho de calor latente = 2.000 kcal/h - Total de ar de insuflamento = 4.000 m³/h - Umidade relativa do ar ao passar pelas bobinas = 90% - Temperatura BS do ar exterior = 32°C. Deseja-se saber:

(a) Condições do ar deixar as bobinas (ponto B); (b) Quantidade de ar a ser esfriado e desumidificado; (c) Quantidade de ar a ser ―by-passado‖; (d) Condições da mistura (ponto D).

5.2.14 Preenchimento da Planilha do Calculo de Carga Térmica Sem Simplificações (ANEXO 2)

Item A: deve ser preenchido de acordo com os dados disponibilizados pelo cliente; A. CLIENTE Endereço: Pavimento: Dependência: Latitude: Hora: Item B: as características do verão local deverão obedecer à norma NBR-16401:2008, quanto às condições externas e internas, ou dados relativos ao conforto contidos nas tabelas específicas para cada caso. B. CARACTERÍSTICAS DO VERÃO LOCAL

B.1 Temperatura ( ºC) Bulbo seco

Interior Exterior

Bulbo úmido

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Ponto de orvalho

B.2 Umidade relativa (%)

Item C: Preencher a tabela de acordo com as dimensões das paredes externas, incluindo janelas; dimensões das janelas com vidro; dimensões das paredes externas excluindo as janelas para o cálculo de U. C. GANHO POR CONDUÇÃO – CALOR SENSÍVEL

Dimensões

(m) Área (m²)

U DT Calor sensível

Kcal/h

C.1 Parede externa (Total)

C.2 Janelas com vidro

C.3 Paredes excluindo janelas

C.4 Paredes divisórias

C.5 Vidros nas divisórias

C.6 Teto ou telhado

C.7 Total de condução

Item D: Preencher a tabela de acordo com as dimensões das janelas e paredes de acordo com sua posição. Dimensões do telhado e claraboias. D. GANHO POR INSOLAÇÃO – CALOR SENSÍVEL

Dimensões

(m m) Área (m²)

Fator Solar U DT Calor sensível

Kcal/h

D.1 Janelas com vidros voltados p/ oeste

D.2 Janelas com vidros voltados p/ sul

D.3 Paredes Voltadas p/ oeste

D.4 Telhados

D.5 Claraboias

D.6 Total de insolação

Item E: Preencher a tabela de acordo com as dimensões dos dutos: altura, espessura, comprimento. E. GANHO NOS DUTOS – CALOR SENSÍVEL

Dimensões (m) Área (m²)

U DT

Calor sensível

Kcal/h

a b c 2c ( a + b )

E.1Total nos dutos

Item F: Preencher a tabela de acordo com o tipo de atividade que as pessoas exercem no local.

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F. GANHO DEVIDO ÀS PESSOAS – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

Pessoas N.º Fator Sensível

Fator Latente

Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h Kcal/h

F.1 Sentados

F.2 Em exercício moderado

F.3 Em movimento brusco

F.4 Total devidoàs pessoas

Item G: Preencher a tabelas de acordo com a potência dos equipamentos e modelos. G. GANHO DEVIDO AOS EQUIPAMENTOS – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

Watts HP Fator Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h Kcal/h

G.1Pequenos motores elétricos ( 2 HP ) ou menores

G.2Pequenos motores elétricos ( 3 HP ) ou maiores

G.3Luz incandescente

G.4Luz fluorescente

G.5Equipamentos a gás

G.6Tubulações

G.7Diversos

G.8 Total devido aos equipamentos

Item H: Preencher a tabelas de acordo com frestas existentes no local; Janelas, portas, e etc. H. GANHO DEVIDO AS INFILTRAÇÕES – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h Kcal/h

H.1 Infiltração pelas janelas

H.2 Infiltração pelas portas

H.3 infiltrações diversas

H.4 Total de infiltrações

Item I: Preencher a tabela com o total do calor sensível e latente de cada item calculado nas tabelas acima. I. RESUMO

Calor Sensível Calor Latente

kcal/h kcal/h

C.8 Condução

D.7 Insolação

E.1Dutos

F. 4 Pessoas

G.8 Equipamentos

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H.4 Infiltração

I.1 Total sensível

I.2 Total latente

I.3 Calor total

Item J: Preencher lacunas de ganho de calor sensível e latente devido à ventilação exterior, pelo número de pessoas que entra e sai do local. J. GANHO DE CALOR DEVIDO À VENTILAÇÃO – CALOR SENSÍVEL E LATENTE J.1 N.º de pessoas ___________ ___________ m³/h/pessoa ___________ m³/h

J.2 m³/h de ar exterior __________ ___________ ___________ kcal/h – sensível J.3 m³/h de ar exterior ___________ ___________ ___________ kcal/h – latente Item K: Preencher lacunas devido o calor latente, sensível, o calor total, de acordo com os itens acima. Calcular a quantidade de refrigeração necessária e a média. K CARGA TÉRMICA TOTAL K.1 Sensível Item I.1 _______________ kcal/h Item J.2 _______________ kcal/h

Subtotal _______________ kcal/h K.2 Latente

Item I.2 _______________ kcal/h Item J.3 _______________ kcal/h Subtotal _______________ kcal/h K.3 Calor total Item K.1 _______________ kcal/h

Item K.2 _______________ kcal/h Subtotal _______________ kcal/h

Segurança 10% _______________ kcal/h Total _______________ kcal/h

Toneladas de refrigeração: ⁄

_______________ TR

Média

_______________ m²/TR

Item L: Calcular a porcentagem de insuflamento, devido à porcentagem de calor, temperatura de bulbo seco do ar, bulbo úmido do ar, e a diferença entre eles. L. TOTAL DE AR INSULFLADO

L.1 Percentagem de calor sensível:

100 _______________ %

L.2 Temperatura de bulbo seco do ar de insuflamento _______________ºC L.3 Temperatura de bulbo úmido do ar de insuflamento _______________ºC L.4 Diferencial de temperatura do ar de insuflamento:

Bulbo seco do recinto _______________ºC Item 13.2 _______________ºC

L.5 Total de insuflamento

_______________m³/h

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27. A fachada sudeste da Biblioteca Municipal tem uma área de 12m x 5m. Calcule qual a redução de carga térmica prevista se for utilizada uma película reflexiva (30% de redução de carga térmica). Avalie qual será a redução se a instalação possui um custo mensal de R$ 600,00/TR. 28. Calcular o coeficiente global de transmissão de calor para uma parede composta das seguintes camadas:

- Emboço de 2 cm;

- Concreto com areia e pedra – 25 cm;

- Ladrilho de 2 cm;

- Velocidade do ar exterior 12 km/h.

29. Calcular o coeficiente global de transmissão de calor para uma parede de alvenaria de pedra de 30 cm de

espessura.

- Velocidade do ar exterior: 24 km/h

30. Calcular a quantidade de calor solar transmitido através de uma janela de vidro com os seguintes dados:

- Dimensões: 8,00 x 2,50 m

- Local: Região Sudeste;

- Hora: 17 h;

- Data: 22 de Dezembro;

- Face da janela voltada para o sul;

- Condições: sem proteção.

31. Se a janela do exercício anterior tiver a sua face voltada para oeste, qual a quantidade de calor solar

transmitida?

32. Calcular o fluxo de calor solar através da parede considerada no Exercício 1, onde:

- Área = 20 x 4 m;

- te = 35°C

- ti = 24°C

- Parede voltada para o norte, cor escura.

33. Calcular a quantidade de calor transmitida através dos dutos de insuflamento de ar de uma instalação com os

seguintes dados:

- Seção do duto: 0,50 x 0,40 m;

- Comprimento do duto: 25 m;

- Isolamento em lã de vidro: ½ polegada (13mm);

- Temperatura do ar de insuflamento: 15°C;

- Temperatura do ar exterior: 32°C.

34. Calcular a carga térmica devida às pessoas em um salão de danças com os seguintes dados:

- Número de pessoas: 300.

- Temperatura do ambiente: 26°C.

Usar unidades em SI, e em toneladas de refrigeração.

35. Calcular a carga térmica devida à iluminação em um escritório com os seguintes dados:

- 20 aparelhos de luz fluorescente de 4 x 40W;

- 10 spots de luz incandescente de 150 W;

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36. Calcular a carga de calor sensível introduzida em um recinto com as seguintes características:

- Vazão de ar: 200 m³ por minuto (MCM)

- Temperatura do ar exterior: 32°C – umidade 60%;

- Temperatura do ar interior: 24°C – umidade 50%.

37. Calcular a carga de calor latente introduzida no recinto, com os dados do Exercício 5.9. Usar unidades inglesas

(BTU/h) e também em kcal/h.

38. Calcular a quantidade de ar que deve ser insuflada em um recinto, para manter as seguintes características

internas:

- ti = 25°C

- qs = 45 kW (carga de calor sensível).

- Temperatura do ar de insuflamento de 19°C.

39. Um recinto deve ser mantido à temperatura de bulbo seco de 26,4°C. O ar de insuflamento é lançado na vazão

de 300 MCM e com a temperatura de 15,4°C. Calcular a carga de calor latente que deve ser retirada pelo

equipamento de desumidificação.

40. Utilizando a carta psicrométrica, determinar as condições do ar de insuflamento para os seguintes dados:

- Calor total: 10.000 kcal/h;

- RCS = 0,80;

- Condições internas: BS= 25°C ; UR =55%; Vazão de ar: 60 MCM.

41. Usando os mesmos dados do Exercício 5.13, calcular a umidade específica do ar ao passar pelas bobinas de

esfriamento e após ficar dentro das condições interiores (BS=26°C e UR = 55%).

42. Calcular a quantidade de ar que deve ser insuflada em um recinto, para manter as seguintes características internas: - ti = 25°C; - qS = 45 kW (carga de calor sensível). - Temperatura do ar de insuflamento de 19°C.

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6.1 Dutos de chapas Metálicas

Dutos são condutores de ar que permitem sua circulação desde o ventilador até os pontos de insuflamento,

bem como o retorno. O normal é a existência de recirculação do ar, isto é, uma vez circulando no ambiente, o ar retorna à

máquina: isso representa economia na instalação. Em casos especiais, como salas de operações dos hospitais, locais de emanações poluidoras etc., não será

conveniente o retorno do ar à máquina; isso onera a instalação. Os dutos representam em custo médio cerca de 25% de toda instalação. Para o dimensionamento dos dutos, precisamos levar em conta os seguintes fatores:

Volume de ar a ser circulado;

Velocidade de ar através dos dutos;

Resistência a ser vencida no duto. As partes componentes de um sistema de dutos são:

Dutos retos;

Curvas;

Desvios;

Peças de transição;

Registros divisórios e quadrantes;

Registros de volume e quadrantes;

Palhetas para as curvas;

Entre outros.

Figura 6.1: Ligação entre o equipamento e os dutos. [2]

Figura 6.2: Indicação detalhada de vários elementos do sistema de dutos. [2]

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Figura 6.3: Como são empregados os registros nos dutos de condicionamento de ar. [2]

6.2 Métodos de dimensionamento de dutos

Existem três métodos usados no dimensionamento dos dutos de um sistema de ar condicionado:

Método da velocidade;

Método de igual perda de carga ou resistência;

Método da recuperação estática.

O fluxo de qualquer fluido se verifica por diferença de pressão. No caso do ar, essa diferença de pressão é proporcionada pelo ventilador.

Se considerarmos desprezível o atrito, podemos utilizar as mesmas leis da queda dos corpos:

Onde: v = velocidade em m/s (MPS) g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s² h = diferença da gravidade em metros Para o ar padrão, a fórmula para cálculo da velocidade é:

v = velocidade em metro por minuto hv = diferença de pressão em mm de coluna d’água

Exemplo 6.1: Qual a diferença de pressão correspondente à velocidade do ar de 853,4 MPM?

As resistências opostas ao fluxo de ar resultam em perda de pressão, e são de dois tipos:

Perdas de atrito: devidas ao contato com as superfícies

Perdas dinâmicas: devidas a mudança de direção, turbulência e mudanças de velocidade. A equação geral para o dimensionamento dos dutos é a mesma equação geral usada para o fluxo de

qualquer fluido:

Onde: Q = vazão em m³/min (MCM); A = área em m² (seção reta); V = velocidade em m/min (MPM).

Exemplo 6.2: Quais as dimensões de um duto pelo qual passam 600 m³ de ar por minuto, na velocidade de 450 metros por minuto?

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A exemplo do que ocorre em outros fluidos, no deslocamento do ar a energia total permanece constante ao longo do fluxo, como se pode ver na figura:

Figura 6.4: Pressões e velocidades ao longo dos dutos de ar.

A energia total nas três seções é constante, descontando-se as perdas, ou, em outras palavras:

O que se ganha em energia cinética perde-se em energia potencial, e vice-versa.

O ventilador do sistema deve vencer a pressão total oposta pelo sistema de dutos.

Vazão necessária de ar (Q):

Já sabemos também que a vazão necessária é obtida pela expressão:

Onde: Q = vazão em m³/min Qs = calor sensível t2 = temperatura na entrada do evaporador t1 = temperatura na saída do evaporador

6.2.1 Método da velocidade Este método deve ser usado para pequenos sistemas ou em grandes sistemas com poucos dutos, no

máximo cinco ou seis bocas. É um método empírico no qual é a velocidade arbitrariamente fixada no ventilador e, com base na

experiência, reduzida em sucessivas etapas. Exemplo 6.3: Dimensione um sistema de duto cujas vazões de três das bocas são de 10 MCM (m³/min) e duas de 30 MCM .

• Na seção 1 do duto, temos: -baixa pressão estática; -alta velocidade; -alta pressão dinâmica.

• Na seção 2, temos: -alta pressão estática; -baixa velocidade; -baixa pressão dinâmica.

• Na seção 3, temos: -baixa pressão estática; -alta velocidade; -alta pressão dinâmica.

Pressão estática – corresponde à energia potencial do ar. Pressão dinâmica – corresponde à energia cinética do ar.

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6.2.2 Método da igual perda de carga Este método se baseia na circulação de ar e perdas em dutos de seção circulares; para dutos retangulares,

será necessária a conversão da bitola do duto circular em duto retangular (equivalente) com a mesma quantidade de ar circulante e as mesmas perdas.

No ábaco 1, é apresentado as perdas de carga ou resistências em milímetros de coluna d’água por metro de comprimento (superior).

Figura 6.5: Ábaco 1 – Perda por Atrito nos dutos retos. [2]

No eixo das ordenadas (vertical), temos as vazões em metros cúbicos por minuto (MCM)(lado direito) ou

pés cúbicos por minuto (lado esquerdo). Nas diagonais da direita inferior para a esquerda superior, temos o diâmetro dos dutos em polegadas. No ábaco 2, temos os dutos retangulares equivalentes aos circulares para igual perda de carga.

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Figura 6.6: Ábaco 2 – Dutos retangulares equivalentes a dutos circulares. [2]

Exemplo 6.4: Em uma instalação temos os seguintes dados:

- Vazão de ar = 85 MCM; - Resistência ou perda de carga = 0,05 mm de água por metro.

Calcular a velocidade, o diâmetro do duto redondo e o duto retangular equivalente.

Exemplo 6.5: Utilizando os dados do problema anterior, calcule as dimensões dos dutos pelo método da igual perda de carga para os trechos E, D e C e bocas 1 e 2, cuja vazão é 30 MCM em cada, e na boca 3, que possui vazão de 10 MCM, estabelecendo uma resistência ou perda de carga de 0,084 mm/m nessas bocas.

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6.2.3 Método da recuperação estática Este método é bem mais complexo que os dois anteriores, e sua aplicação só se justifica em casos

especiais. Baseia-se no princípio de que, num sistema de dutos sob a ação do ar em determinadas vazão e velocidade,

temos as seguintes pressões em jogo:

Pressão estática (Pe): que pode ser medida aplicando-se o manômetro de coluna d’água na extremidade do duto;

Pressão total (Pt): medida aplicando-se o manômetro no meio do duto;

Pressão devida à velocidade (Pv), que resulta da equação:

Pt = Pv + Pe 6.3 Perdas de pressão em um sistema de dutos

No deslocamento do ar através de um sistema de dutos, devem ser consideradas as seguintes pressões:

Pressão estática – Pe

Pressão dinâmica – Pv

Pressão Total – Pt

Figura 6.7: Medidas da pressão estática e pressão total em um tubo. [2]

Já sabemos que:

Pt = Pv + Pe

A pressão total representa a pressão de resistência que o sistema ventilador-motor deve vencer para manter o fluxo de ar na vazão e velocidade desejadas.

6.3.1 Perdas de pressão estática (Pe) O ar deslocando-se em um duto perde pressão estática por atrito com a superfície interna. À semelhança

do que ocorre com a água, quanto maior a vazão de ar, maiores serão as perdas por atrito. Se o ar estivesse parado, teríamos somente pressão estática no interior dos dutos, porém, como há

deslocamento, temos pressão estática e dinâmica. 6.3.2 Perdas de pressão dinâmica (Pv) Para determinada velocidade, há uma pressão dinâmica, e quanto mais alta for a velocidade, maior será a

pressão dinâmica. O ábaco 3, fornece a pressão dinâmica em milímetros de coluna d’água em função da velocidade.

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Figura 6.8: Ábaco 3 – Perda por pressão dinâmica. [2]

Exemplo 6.6: Ache a pressão dinâmica de acordo com a velocidade:

a) 400 m/min; b) 700 MPM; c) 5 m/s.

6.3.3 Perdas de carga acidentais Como é fácil de se concluir, quando se trata de um trecho reto de um sistema de dutos ou uma curva,

joelho, tê e etc., as perdas são diferentes. A Tabela a seguir fornece valores das perdas de carga em função da pressão dinâmica para os diferentes

componentes encontrados nos dutos.

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Figura 6.9: Perda de carga em várias partes de um sistema de dutos. [2]

Exemplo 6.7: Ache a perda de carga localizada, de acordo com a velocidade dada:

a) Joelho em ângulo reto. Velocidade: 200 m/min; b) Curva de 90°, com relação R/l de 1,2. Velocidade: 15 m/s.

6.3.4 Pressão de resistência de um sistema de dutos (Pr) É a pressão total que o ventilador precisa vencer para insuflar o ar nos recintos condicionados. A pressão total representa as perdas por atrito nos trechos retos e as perdas localizadas nas derivações,

curvas, joelhos e etc. Não se considera as perdas nos ventiladores, pois já são consideradas pelos fabricantes. Os dutos de insuflamento, de retorno e o de ar exterior são considerados separadamente no cálculo: o de

insuflamento é sempre computado, e, para os de retorno e exterior, toma-se o que conduz as maiores perdas.

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Exemplo 6.8: Calcule a pressão de resistência do sistema de dutos mostrado abaixo:

6.4 Isolamento e junção dos dutos

Para melhor eficiência do sistema, os dutos de insuflamento de ar devem ser isolados, pois a diferença de temperatura entre o ar interior do duto e o ar exterior provoca aumento da carga térmica.

Na figura a seguir vemos alguns detalhes de isolamento de dutos com Isoflex, um isolante próprio para dutos, constituído de fibras de vidro, aglomeradas por resinas sintéticas, e revestido em uma das faces por alumínio.

Figura 6.10: Isolamento de dutos – Isoflex. [2]

6.5 Dados Práticos para o dimensionamento de dutos

Para instalações usuais, tomar a perda de carga 0,1 polegada de coluna d’água/100 pés lineares de duto ou 0,084 mm/m de duto.

Para instalações que exijam silêncio, como residências, igrejas, estações de rádio ou TV, tomar a perda de carga 0,045 polegada de C.A/100 pés lineares de dutos.

Para instalações industriais, em que o silêncio não é tão importante, usar a perda de carga de 0,1 a 0,15 polegada de C.A/100 pés.

A menor dimensão dos dutos não deve ser inferior a 4 polegadas (10 cm).

Para residências, a dimensão mínima dos dutos pode ser de 3 3/4‖ (9,5 cm).

Nas diversas seções contínuas de dutos, deve-se sempre manter uma mesma dimensão.

As grelhas de insuflamento devem ter as dimensões de 2x1 entre a largura e a altura, podendo chegar ao máximo de6x1.

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O projeto dos dutos deve ser o mais simples e retilíneo possível. 6.6 Distribuição de ar nos recintos

O ar, depois de impulsionado pelo ventilador através do sistema de dutos, deverá ser distribuído no

ambiente condicionado por meio de grelhas ou difusores de teto. 6.6.1 Grelhas simples e com registros As grelhas podem ser simples, quanto não têm meios de controle de ar, ou com registro, quando existem

réguas móveis que permitem o controle da vazão de ar. Ambas as grelhas podem ser usadas para o insuflamento ou retorno do ar ao recinto.

Figura 6.11: Tipos usuais de grelhas simples e com registro.

Figura 6.12: Tipos usuais de grelhas simples e com registro. [2]

A forma normal das grelhas é retangular e é importante conhecer a área livre, ou seja, a área disponível

(largura x altura) menos a área ocupada pelas réguas. A área livre das grelhas normalmente encontradas em insuflamentos do ar varia de 75% a 85% da área

total. Para o retorno poderá haver grelhas com áreas livres de 60% a 90%.

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Exemplo 6.9: Especificar uma grelha para insuflamento de ar com as seguintes características:

- Vazão: 16,9 MCM - Velocidade: 243,8 MPM - Área livre de 80%.

6.6.2 Escolha da altura da grelha de insuflamento Na figura 6.13, é apresentado como o ar insuflado pela grelha se distribui pelo recinto. O jato de ar deve

cobrir toda a distância entre a parede da grelha e a parede oposta, mas de tal maneira a ficar cerca de 30 cm acima da linha de respiração, que é de 1,50 m acima do piso.

Figura 6.13: Percurso do ar em um recinto com grelha de insuflamento em uma parede lateral. [2]

Figura 6.14: Alcance (throw) do ar em função da altura e da velocidade. [2]

Exemplo 6.10. Determinar a altura em relação ao piso deve ser instalada uma grelha unidirecional, de modo que o jato seja de 12,2m e a velocidade de 30,5 por minuto.

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6.6.3 Distância entre as grelhas de insuflamento

A distância entre as grelhas de insuflamento é um fator importante para se conseguir uniformidade na distribuição do ar.

Essa distância é função do jato e do número de direções da grelha e pode ser tanto maior quanto maior for o número de direções.

A tabela a seguir traz a distância entre as grelhas em função do jato e do tipo.

Figura 6.15: Distância entre grelhas, em metros, em função do jato. [2]

6.6.4 Seleção e determinação da vazão de uma grelha

Para facilitar a difusão do ar no recinto, será sempre preferível a utilização de grelhas com registros, que

permitem regulagens de modo a não haver correntes de ar em nenhum ponto.

Figura 6.16: Detalhes de grelhas simples ou com registro. [2]

Há grelhas de até sete direções, cada uma escolhida de acordo com a velocidade do ar, pois quanto maior o

número de direções, menor será o alcance do jato de ar.

Figura 6.17: Detalhe da deflexão angular aproximada do ar ao sair de vários tipos de grelhas. [2]

A escolha da grelha está condicionada também à forma do recinto. Sugestões para a seleção das grelhas em diferentes recintos.

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Figura 6.18: Sugestões para a seleção das grelhas em diferentes recintos. [2]

6.5.5 Difusores de teto ou aerofuses

Os difusores são colocados no teto e podem ser usados para o insuflamento e retorno do ar.

Existem difusores de forma quadrada, retangular, circular.

Figura 6.19: Tipos de difusores de teto de alta velocidade.

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43. Dimensione o sistema de dutos pelo método da velocidade, cujas vazões são mostradas na tabela abaixo.

44. Utilizando o método da igual perda de carga e os dados listados a seguir, calcule as dimensões dos dutos para

os trechos A, B e C e também para as bocas 1, 2 e 3, cujas vazões são: 20 MCM, 30 MCM, 10 MCM,

respectivamente. Utilize 0,04 mm de C.A./m como perda de carga.

Boca 1 12 MCM

Boca 2 30 MCM

Boca 3 18 MCM

Boca 4 25 MCM

Boca 5 15 MCM

Retorno 85 MCM

Ar Exterior 15 MCM

Velocidade do Ventilador

12 m/s

Velocidade na Boca 1 7 m/s

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7.1 Definições

Em todo sistema de ar condicionado a circulação do ar através do recinto e o retorno ao condicionador são feitos por meio de ventiladores. O ventilador pode ser considerado como uma bomba de ar funcionando para vencer as pressões impostas pelo sistema de dutos e demais equipamentos. A energia mecânica do ventilador é fornecida pelo motor elétrico que deve ser dimensionado para imprimir ao ventilador a rotação e potência necessárias para atingir a vazão de ar adequada e vencer as pressões de resistência.

A potência necessária do motor elétrico é cerca de 20% maior do que a potência do ventilador. De um modo geral, pode-se dizer que:

• A capacidade do ventilador é proporcional à sua rotação; • A pressão do ventilador é proporcional ao quadrado de sua rotação; • A potência do ventilador é proporcional ao cubo de sua rotação. Se, em uma instalação de ar condicionado, o compressor for desligado, teremos uma instalação de

ventilação simples, onde são controladas apenas a vazão e a pureza do ar. Os ventiladores podem fazer parte integrante do equipamento de ar condicionado, como nos self-contained, ou aparelhos individuais, ou são fornecidos independentemente, como no caso das grandes instalações (fan-coils).

7.1.1 Características de um ventilador - Vazão do ventilador: é o volume de ar em metros cúbicos por minuto ou em pés cúbicos por minuto (CFM)

que passa pela saída do ventilador. Normalmente, o volume de ar que sai do ventilador é igual ao que entra, desde que se despreze a mudança do volume específico do ar na entrada para a saída.

- Velocidade de saída do ventilador: obtém-se dividindo a vazão de ar na saída pela sua área. É uma velocidade teórica, pois a vazão não é uniforme.

- Pressão devida à velocidade de saída: Pv(S) - é a pressão correspondente à velocidade do ar na saída ou pressão dinâmica.

- Pressão total do ventilador: Pt - é a diferença entre a pressão total do ar na saída do ventilador e a pressão total do ar na entrada. A pressão total do ventilador é a medida da energia mecânica total adicionada ao ar pelo ventilador.

- Pressão estática do ventilador: Pe é a diferença entre a pressão total e a pressão devida à velocidade. Pode ser calculada subtraindo-se a pressão total na entrada do ventilador da pressão estática na saída do ventilador.

Por definição:

Como: , subtraindo, tem-se:

Onde: = Pressão estática do ventilador; = Pressão total na saída;

= Pressão total na entrada; = Pressão devida à velocidade na saída;

= Pressão estática na saída.

7.2 Tipos de Ventiladores

O motor e o ventilador podem ser ligados diretamente, ou seja, montados no mesmo eixo, como no caso de pequenas instalações, ou por meio de correias nas instalações de maior porte.

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Assim, temos dois tipos de ventiladores nas instalações: • Ventilador centrífugo (figura 7.1); • Ventilador axial ou tipo hélice (figura 7.2).

Figura 7.1: Ventilador Centrífugo. (Ventisilva – Exaustores industriais) http://www.exaustoresventisilva.com.br/exaustor-industrial-centrifugo-ventisilva-ec3-n-siroco/

Os ventiladores centrífugos são empregados em sistemas cuja pressão de resistência varie de 12 mm (1/2‖)

até 76 mm (3‖) de coluna d’água, ou seja, o caso normal de instalações de ar condicionado.

Figura 7.2: Ventilador Axial. (Power – processos e equipamentos) http://www.powder.com.br/equipamentos/ventiladores/axiais/axiais-desenhos.htm

Os ventiladores axiais são usados em pequenas instalações de ar condicionado ou de exaustão mecânica,

resistência até cerca de 6,4 mm (1/4‖).

7.3 Trocas de ar nos recintos

Para se calcular a quantidade de ar que deve ser introduzida nos recintos para fins de ventilação, pode-se tomar como base a Tabela 7.1, extraída de publicações estrangeiras, que estabelece tempo (minuto), em diversos ambientes, para uma troca de ar.

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Tabela 7.1: Tempo para a Troca de Ar.

Tempo em Minutos Renovações por Hora

Ambiente

Local Alto Padrão Baixo Padrão Alto Padrão Baixo Padrão

Escritórios 2 6 30 10

Lojas 3 10 20 6

Cozinhas 2 4 30 15

Fábricas 3 12 15 5

Garagens 2 10 30 6

Salas de reuniões 2 6 30 10

Igrejas 2 4 30 15

Teatros 4 15 15 4

Lavanderias 1 6 60 10

7.4 Velocidades recomendadas para o ar

A NBR- 16410:2008 prescreve as velocidades em m/min recomendadas para o ar, de acordo com o tipo de ocupação, veja a tabela 7.2.

Tabela 7.2: Velocidades Recomendadas para o Ar.

Preferíveis – Máximas (m/min)

Designação Residências Edifícios Públicos Edifícios Industriais

Tomada de ar 150-240 150-270 150-360

Filtros 80-90 90-110 110-110

Serpentinas 135-135 150-150 180-216

Lavador de ar 150-210 150-210 150-210

Aspiração do ventilador 110-280 250-300 300-430

Descarga do ventilador 480-510 600-660 720-840

Dutos principais 270-360 390-480 540-600

Ramais horizontais 180-300 270-390 180-540

Ramais verticais 150-240 210-360 240-480

7.5 Ventilação Geral

É um processo de circulação de ar usado quando não é possível a captação do contaminante antes que se espalhe pelo recinto. É o caso dos grandes aglomerados humanos (cinemas, teatros, salas de reuniões), onde os odores resultantes da transpiração e respiração devem ser eliminados por meio da penetração de ar puro, que deve ser misturado com o ar impuro e lançado para o exterior. Assim, temos três tipos de ventilação:

• Por insuflamento; • Por exaustão; • Mista. Na ventilação por insuflamento, um ventilador lança o ar no recinto que fica com pressão maior que o

exterior. Desse modo o ar viciado é retirado do ambiente por meio de uma abertura. Na ventilação por exaustão, um ventilador retira o ar que penetra no recinto por meio de aberturas. Há uma

pressão negativa no recinto em relação ao exterior, por isso o ar viciado é retirado. Na ventilação mista, há, ao mesmo tempo, um ventilador que insufla o ar no recinto e outro que retira o ar

viciado, devendo ficar em extremidades opostas para evitar o curto-circuito de ar e melhorar a diluição.

a) Por exaustão

b) Natural com dutos

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c) Por exaustão (exaustor no teto)

d) Por insuflamento

e) Mista

Figura 7.3: Exemplos de ventilação geral. [2]

7.5.1 Volume de ar a insuflar

O volume de ar a ser introduzido no ambiente para dissipar a quantidade de calor, (Q) pode ser obtido da

expressão:

Onde: = quantidade de calor sensível em kcal/h; m = massa de ar em kg/h; c = 0,24 kcal/kg°C; = diferencial de temperatura em °C entre o recinto e o exterior. Em unidades SI, já vimos que da expressão da quantidade de calor em kcal a ser retirada por hora, pode-se

calcular a vazão de ar:

Onde: Q = vazão de ar em m³/h;

= quantidade de calor sensível em kcal/h; = temperatura do ar exterior em °C;

= temperatura do ar interior em °C. Para os ambientes normais ocupados por pessoas, podem-se tomar os seguintes valores para o calor

produzido:

Pessoas: 150 kcal/pessoa por hora;

Iluminação: carga em W;

Motores: carga em W;

Tomando-se para a transformação a relação: 1 kWh = 860 kcal.

7.5.2 Tipos de ventilação

Uma instalação de ventilação pode ser classificada em natural ou forçada.

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É natural quando o ar viciado é retirado sem meios mecânicos, apenas utilizando a diferença de temperatura (caso das chaminés) ou o efeito de sucção da ventilação externa (tiragem induzida). A ventilação natural tem o inconveniente de depender das condições atmosféricas externas.

A ventilação é forçada quando usa meios mecânicos (ventiladores ou exaustores) para a retirada do ar viciado e o consequente recomplemento do vazio que se forma.

Numa instalação de ventilação forçada, podem-se utilizar dutos, que melhoram a distribuição, e filtros, que melhoram a qualidade do ar. Em ambos oneram a instalação.

7.5.3 Projeto de uma instalação de ventilação geral Para o projeto de uma instalação, devemos ter disponíveis:

Plantas e cortes do local;

Número de pessoas;

Local para os dutos e difusores;

Local para a casa de máquinas (ventiladores e filtros);

Tomada de ar novo. Exemplo 7.1: Projetar a ventilação de um escritório com os seguintes dados: - Dimensões: 24 x 10 x 3 m; - Número de pessoas: 50; - Condições: Normal, sem outras fontes de calor ou poluidoras; - Difusão do ar: por dutos e grelhas.

7.5.4 Ventilação em residências

Como já foi visto no cálculo de carga térmica, a insolação é a parcela que mais pesa na escolha do equipamento. Na figura 7.4 vemos um exemplo de uma casa de dois pavimentos onde, abaixo do telhado, temos o ar parado à temperatura de 60°C, e nos ambientes habitáveis o ar condicionado mantém as temperaturas de 27°C e 26°C.

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Figura 7.4: Ação do calor solar em residência. [2]

Se utilizarmos um exaustor para fazer circular o ar parado, conseguiremos uma economia acentuada no

equipamento de ar condicionado, como pode ser visto na figura 7.5.

Figura 7.5: Residência com ar condicionado – exaustão no sótão. [2]

Na figura 7.6, tem-se um outro exemplo de ventilação de uma residência onde o exaustor, colocado no centro

do teto, possibilita uma circulação do ar através das janelas e saindo pelas aberturas no sótão. É um tipo de instalação de baixo custo e que proporciona certas condições de conforto, dependendo da temperatura e umidade do ar exterior.

Figura 7.6: Residência sem ar condicionado – Ventilação Geral. [2]

Para se calcular a vazão de ar objetivando a especificação dos ventiladores, é preciso calcular o volume do recinto e aplicar o método das trocas de ar (tabela 7.1). Exemplo 7.2: Calcule a área da janela de entrada de ar do recinto mostrado abaixo:

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7.6 Exaustão

É um tipo de ventilação em que se procura evitar que as partículas que irão contaminar o recinto se espalhem, por isso procura-se captá-las nos locais de origem e lança-las ao exterior. O princípio que se utiliza é o de criar uma corrente de ar de modo a provocar o arrastamento das partículas e, em consequência, surgirão correntes de ar no recinto, melhorando a ventilação geral.

Um sistema de exaustão compõe-se das seguintes partes:

Captor, onde são coletados os contaminantes:

Dutos de ar;

Ventilador:

Chaminé.

7.6.1 Captor O captor cria junto à partícula uma corrente de ar, cuja velocidade deve ser suficiente para sua captura e

arrastamento. Publicações americanas (GuideI) dão indicação das velocidades mínimas necessárias (Tabela 7.3) à

captação.

Tabela 7.3: Velocidades mínimas para captação de partículas em MPM. [2]

Velocidade do Contaminante

Instalação Típica Velocidade

Mínima do Ar (MPM)

Nula Tanques de evaporação, cozinhas 15 – 30

Baixa Cabines de pintura, misturadores 30 – 60

Alta Separação de peças fundidas, britadores, peneiras 60 – 150

Muito alta Esmerilhamento, jato abrasivo 150 - 600

A forma dos captores depende do tipo de poluente, sendo o mais comum a coifa, que deve obedecer à

indicação da figura 7.7.

Figura 7.7: Dados práticos para a construção de coifas. [2]

O volume de poluente aspirado pode ser obtido da fórmula:

Q = K x V x P x H Onde: Q = Vazão em MCM; V = Velocidade de captação em MPM (tabela 7.3); K = constante que depende da forma da boca (1,25 a 1,4); H = altura acima da fonte poluidora, em m; P = perímetro da abertura, em m.

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Observação: Se a fonte poluidora for colocada encostada na parede, o perímetro P, de abertura do captor, é

reduzido do trecho que ficar encostado. 7.6.2 Dutos de ar

Conforme visto no capítulo anterior, a equação para o dimensionamento dos dutos é:

Ou seja:

Onde: A = Área, em m²; Q = Vazão, em MCM; V = Velocidade, em MPM. Pode-se usar qualquer dos métodos de dimensionamento indicados, sendo o mais comum o de igual perda

de carga. De acordo com o material transportado, as velocidades recomendadas para o ar devem satisfazer a tabela

7.4.

Tabela 7.4: Velocidades Recomendadas para o ar em m/min nos dutos de exaustores. [2]

Material Transportado Velocidade em MPM

Vapores, gases, fumos, poeira muito fina 600

Poeiras secas e finas 900

Poeiras industriais médias 1.050

Partículas grosseiras 1.050 – 1.350

Partículas grandes, materiais úmidos. Maior que 1.350

Pode-se diminuir a seção do duto aumentando a velocidade, o que resulta em aumento de ruído e de perda

de carga. As perdas de pressão nos sistemas de dutos já foram estudadas no capítulo anterior.

Material dos dutos Os materiais para dutos podem ser madeira, alvenaria, chapas de aço inoxidável ou galvanizado, alumínio

etc., sendo mais usual o aço galvanizado. As espessuras das chapas dos dutos podem ser as mesmas indicadas na tabela 7.5, aumentando-se conforme o tipo de material a ser conduzido (tabela 7.6).

Tabela 7.5: Bitolas de chapas recomendadas na fabricação dos dutos nos sistemas de baixa pressão. [9]

Espessuras Circular Retangular Lado

Maior (mm) Alumínio Aço Galvanizado

Helicoidal (mm) Calandrado com Costura

Longitudinal (mm) Bitola mm Bitola mm

24 0,64 26 0,50 Até 225 Até 450 Até 300

22 0,79 24 0,64 250 a 600 460 a 750 310 a 750

20 0,95 22 0,79 650 a 900 760 a 1.150 760 a 1.400

18 1,27 20 0,95 950 a 1.250 1.160 a 1.500 1.410 a 2.100

16 1,59 18 1,27 1.300 a 1.500 1.510 a 2.300 2.110 a 3.000

A seção de dutos mais aconselhável é a circular, para evitar acúmulo do material captado nas arestas dos dutos de outras seções.

Observação: Se o duto for de alumínio, aumentar dois pontos. Exemplo: tipo 1; espessura 0,80 m, chapa galvanizada n°20; alumínio nº16. Tipo do material arrastado pelo duto: - Tipo 1: Material não-abrasivo (tinta, serragem vapores); - Tipo 2: Pouco material abrasivo (moagem de combustível), muito material não-abrasivo; - Tipo 3: Muito material abrasivo (britadores, chaminés).

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Tabela 7.6: Bitolas das chapas galvanizadas usadas na fabricação de dutos de exaustores (espessura das chapas de aço). [2]

Diâmetro do Duto (cm) Bitola da Chapa

Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3

Até 45 22 20 18

Até 100 20 18 16

Maior que 100 18 16 14

Observações: - Usar curvas de raio longo (mínimo 2 diâmetros); - Usar portas de inspeção a cada 3 metros; - Prever registros de vazão de ar (dampers).

7.6.3 Ventilador Os ventiladores dos exaustores também podem ser centrífugos ou axiais. São normalmente fabricados em

chapa de aço preto, galvanizadas ou inoxidáveis. Em casos especiais, para exaustão de elementos corrosivos, as chapas podem ser revestidas de chumbo e os motores podem ser à prova de explosão.

7.6.4 Chaminés A função da chaminé é a de lançar na atmosfera os poluentes captados no ambiente e conduzidos através

dos dutos pela pressão que é provocada pelo ventilador. Na figura 7.8 é apresentado uma indicação para projetar uma chaminé, e na tabela 7.7 temos as perdas de

carga em função da altura H entre o chapéu e a tubulação. A altura H deve variar de 0,45 a 1 diâmetro, e quanto menor o seu valor, maiores são as perdas de carga.

Figura 7.8: Indicações para a construção de uma chaminé. [2]

A pressão dinâmica pode ser tirada da fórmula:

Onde: V = velocidade em m/min; Pv = pressão dinâmica em mm de coluna d’água (figura 6.8).

Tabela 7.7: Perda de carga em função de H. [2]

H Perda de Carga = n Pv

0,45 D n =1,0

0,50 D n = 0,73

0,55 D n = 0,56

0,60 D n = 0,41

0,65 D n = 0,30

0,70 D n = 0,22

0,75 D n = 0,18

1,0 D n = 0,10

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Exemplo 7.3: Dimensione o sistema de exaustão para a cozinha mostrada na figura abaixo. Dados: - Dimensões do fogão: 1,50 x 2,0 x 0,75 m; - Pé-direito: 4 m.

45. Se o captor do exemplo da figura 7.8 se destinasse a uma cabine de pintura, qual deveria ser a vazão de ar necessária á exaustão? Considerar como valor médio para a velocidade mínima de captação o da tabela 7.3. 46. Qual a área do duto de exaustão para uma fábrica de cimento (poeira seca e fina), se a vazão de ar necessária é de 1000 MCM? 47. Se o duto do exercício anterior for fabricado em alumínio, qual deverá ser a bitola da chapa, considerando-se que o cimento contém pouco material abrasivo. 48. Calcular a perda de carga, em mm de C.A., na chaminé de um exaustor sabendo-se que a altura H é 0,5 do diâmetro, a vazão é de 800 MCM e a área da tubulação é igual a 0,20 m². 49. Calcular a potência, em kW, do ventilador de um exaustor para uma vazão de ar de 800 MCM, com perdas totais de 50 mm de C. A. e rendimento do ventilador de 0,75%.

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8.1 Introdução

Já sabemos que em instalações frigoríficas e de ar condicionado o fluido refrigerante sob a forma gasosa é comprimido no compressor e, sob a forma de gás em alta pressão, é lançado no condensador. O modo pelo qual se dá a condensação define dois tipos de equipamentos: — unidade de condensação a ar; e — unidade de condensação a água. As unidades de condensação a ar são usadas para pequenas unidades (em geral até 15 toneladas de refrigeração). As unidades de condensação a água são indicadas para quaisquer potências. Ao projetista do ar condicionado compete a escolha do tipo de condensação, devendo levar em conta razões de espaço disponível, confiabilidade exigida, quantidade de água disponível, bem como o seu custo e qualidade. Por exemplo, se em uma instalação a carga térmica exigir 40 TR, ao projetista compete decidir se será mais econômica a instalação de quatro máquinas de 10 TR com condensação a ar, ou duas máquinas de 20 TR com condensação a água. Deverá levar em conta o investimento inicial em ambos os casos e o custo operacional em que pesará o custo do kWh de toda a instalação, o custo da água em função das perdas e do número de horas diárias de operação. Os equipamentos mais usados em instalações frigoríficas e de ar condicionado são as torres de arrefecimento e os condensadores evaporativos. Quando usamos as torres de arrefecimento, os condensadores do equipamento de refrigeração são do tipo ―shell and tube‖, ou seja, uma carcaça de ferro fundido que possui em seu interior uma tubulação de cobre. Através dessa tubulação circula o fluido frigorígeno (freon-12, 22 ou HFC 134), que passa do estado gasoso ao líquido em alta pressão, cedendo calor à água de circulação, com a qual é mantido em contato dentro do condensador. Os condensadores evaporativos também economizam água e são ao mesmo tempo condensador e torre. Nesses condensadores, o gás quente vindo do compressor (gás em alta pressão) circula em uma serpentina que recebe água dos borrifadores, transforma-se em líquido, que é armazenado no receptor de refrigerante líquido. 8.2 Torres de Arrefecimento As torres de arrefecimento mais usuais são trocadores de calor de tiragem mecânica de ar forçado ou por indução com o fluxo de ar em contracorrente ou corrente mista ou, ainda, torres atmosféricas. A água quente oriunda do condensador circula pela torre; entrando pela parte superior, é distribuída pelos canais abertos e, por gravidade, desce ao tanque coletor, de onde é sugada por uma bomba. O nível d’água do tanque coletor é mantido por meio de torneira de bóia. Assim, a água resfriada volta ao condensador de modo contínuo e uniforme, de tal forma que o calor cedido pelo fluido refrigerante à água de circulação é lançado ao ar, com o qual entra em contato na torre,

• Há três tipos de torre, conforme a maneira pela qual a corrente de ar entra em contato com a água (figura 8.1):

atmosférica; corrente de ar forçado; e corrente de ar induzido.

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Figura 8.1: Tipos de Torre de arrefecimento:(a) atmosférica; (b) corrente de ar forçado; (c) corrente de ar induzido. [2]

A torre atmosférica é geralmente colocada na cobertura do prédio e deve ficar localizada de modo a receber a incidência direta dos ventos dominantes, pois não possui ventiladores.

Figura 8.2: Torre atmosférica. [2]

A torre de corrente de ar forçado pode ser colocada em qualquer ponto do prédio em contato com o exterior.

Possui um ventilador lateral na parte inferior.

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Figura 8.3: Torre de corrente de ar forçado, totalmente em PRF (Plástico Reforçado com Fibra de Vidro). Fonte:

http://www.alpinaequipamentos.com.br/torres-de-resfriamento/2/torre-de-resfriamento-alpina-modelo-4-a-32ins#photo-22.

A torre de corrente de ar induzido deve ficar instalada de preferência na cobertura do prédio. O ventilador fica

localizado acima dos borrifadores.

Figura 8.4: Torre de Corrente de ar induzido. Fornecimento padrão com entrada de ar por quarto lados. Fonte:

http://www.alpinaequipamentos.com.br/torres-de-resfriamento/3/torre-de-resfriamento-alpina-modelos-25-a-80-aspiracao#photo-8.

No contato entre ar e água, esta cede calor ao ar ascendente por evaporação ou convecção. A quantidade

de calor dQ cedida ao ar por uma partícula de água com uma superfície dS é:

Onde: dQ = quantidade de calor em kcal/h;

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h - h0 = diferença de entalpia entre o ar saturado (após o contato com a partícula) e o ar não-saturado em kcal/kg

= coeficiente de evaporação que depende das condições de escoamento na superfície-limite ar/água em kg/m²xh

dS = superfície da partícula em m².

Os fatores e dS são dependentes das dimensões físicas do resfriador, portanto a capacidade de resfriamento Q de uma determinada unidade é função das condições atmosféricas e da transferência de calor expressas por h – h0. O resfriador ideal seria aquele que lançasse na atmosfera o ar com temperatura igual à da água quente e completamente saturado, ou seja, o fator h - h0 sendo um máximo.

A diferença entre as entalpias do ar na entrada e na saída depende da queda de temperatura da água na entrada e na saída e da relação dos volumes de água e do ar em jogo no sistema, ou seja:

Onde: h2 – h1= diferença entre as entalpias do ar na entrada e na saída; Vw = volume de água pulverizada ou gotejada; Va = volume do ar; tw1= temperatura da água na entrada; tw2= temperatura da água na saída; A temperatura de bulbo úmido do ar do ambiente é o limite físico mínimo ao qual pode ser resfriada a água

em circulação no resfriador, por evaporação. Assim, temos a definição de approach (aproximação), ―a diferença entre a temperatura da água resfriada tw2 e a temperatura de bulbo úmido do ar do ambiente tu‖:

Quanto menor o approach (a), tanto menor pode ser o resfriador, pois maior será a diferença de entalpias, h -

h0, do ar. A escolha correta do resfriador vai depender desse approach e da temperatura de bulbo úmido do ar.

8.2.1 Tabelas Climatológicas

Baseadas em dados fornecidos pela Diretoria de Rotas Aéreas do Ministério da Aeronáutica, tem-se as tabelas climatológicas da figura 8.5 para algumas cidades brasileiras. Observando-se a tabela relativa a um lugar específico, poder-se-á optar pela escolha econômica de um resfriador.

Para um local em que o pico de calor se verifique em apenas um mês do ano, será mais econômico escolher um resfriador menor, porém com ventilador de duas velocidades, por exemplo, cuja comutação da rotação seja comandada por um termostato na bacia da água resfriada. Para a variação da rotação, pode-se usar uma chave elétrica que faz a ligação de 8 polos (900 RPM) ou 4 polos (1.800 (RPM).

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Figura 8.5: Curvas Climatológicas de algumas cidades brasileiras. [2]

8.2.2 Escolha de uma torre de arrefecimento Para a escolha correta de uma torre, devemos saber a carga térmica Q, a temperatura da água quente em

graus Celsius (tw1) e a temperatura de bulbo úmido do ar ambiente (tu) (podem-se usar os gráficos de temperatura do local, ver figura 8.5).

De acordo com a experiência, nas instalações de ar condicionado ou frio industrial devem-se usar os seguintes valores:

— para o approach, a = tw2 - tu, de 3 a 5,5°C;

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— para tw2 = 29,5°C; — para o Z = tw2 – tw1, de 4 a 5,5°C. Onde: tw2 = temperatura da água resfriada em °C; tw1 = temperatura da água na entrada do resfriador em °C; tu = temperatura de bulbo úmido em °C.

Figura 8.6: Exemplo de seleção deum resfriador de água. [2]

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Exemplo 8.1: Numa instalação de ar condicionado para verão, o projeto fixou os seguintes elementos:

Carga térmica: 70 TR;

Temperatura de água quente tw1 = 34,5°C;

Temperatura de bulbo úmido do ar exterior tu = 24°C. Escolher o resfriador de água utilizando os gráficos do fabricante, a Alpina.

8.2.3 Perdas de água

As perdas de água de um resfriador do tipo compacto não ultrapassam 2% da vazão de agua de circulação. As perdas devem-se à evaporação de água, arrastamento das gotículas finíssimas pelo ventilador e ainda à purga de desconcentração.

8.2.4 Quantidade de água de circulação

A quantidade de água recomendada para circulação para os condensadores deve ser de 3 GPM por TR para

um diferencial de temperatura aproximado de 5,6 ºC (10°F), ou, em dados práticos, toma-se de 3 a 6 GPM por TR, ou seja,: 11,4 a 22,8 litros por minuto por tonelada de refrigeração (TR). Em outras unidades: 0,68 a 1,36 m³/h. Exemplo 8.2: Vamos supor uma instalação cuja carga térmica seja de 100 TR. A quantidade de água de circulação a passar pelo condensador, bomba e torre na base de 0,68 m³/h por TR será:

8.2.5 Escolha da Bomba d’água de circulação (BAC) Para a escolha de uma bomba-d’água, devemos conhecer os seguintes parâmetros: - Altura manométrica em metros – Hm; - Vazão em m³/h – Q. A altura manométrica Hm é a altura representativa das perdas de carga a vencer mais a altura estática:

Hm = Hest + Hperd As perdas de carga de um sistema de água de circulação podem ser divididas em três parcelas: - perda de carga através do condensador, em metros, obtida pelos dados do fabricante; - perda de carga através da torre, em metros, obtida pelos dados do fabricante; - perda de carga através das tubulações, conexões, registros etc., em metros, obtida pelos cálculos

hidráulicos. Para conhecer as perdas no sistema hidráulico, precisa-se saber o diâmetro das tubulações. Os diâmetros

podem ser fixados conhecendo-se a vazão em m³/h ou l/2 e a velocidade em m/s. De acordo com a NBR-16401:2008, a velocidade máxima nas tubulações deve ser de 2,5 m/s e a indicação

dos diâmetros recomendados em função da vazão, o que deve ser usado pelo projetista da instalação, é mostrado na tabela 8.1.

Tabela 8.1: Diâmetros Recomendados e Velocidades Máximas nas Tubulações de Água. [9]

Diâmetro do tubo Sistema Fechado Sistema Aberto

mm pol Vazão m³/h Velocidade

m/s Perda % Vazão m³/h

Velocidade m/s

Perda %

19 3/4 1,5 1,2 10 1,0 0,8 10

25 1 3 1,5 10 2,2 1,1 10

32 1 1/4 6 1,7 10 4 1,2 10

38 1 1/2 9 1,9 10 6 1,3 10

50 2 17 2,2 10 12 1,6 10

65 2 1/2 28 2,5 10 23 2,1 10

75 3 48 2,8 10 36 2,1 10

100 4 90 3,1 9 75 2,5 10

125 5 143 3,1 7 136 2,9 10

150 6 215 3,2 5,5 204 3,1 9

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8.2.6 Potência da bomba da água de circulação (BAC) A potência da BAC pode ser obtida através da seguinte expressão:

Onde: P = potência em cv; Q = vazão em m³/h; Hm = altura manométrica em m;

= rendimento do conjunto motor-bomba (da ordem de 40 ou 50%). Exemplo 8.3: Calcule a potência da bomba de circulação, sabendo que a vazão é igual 60 m³/h e a altura manométrica igual a 15m. 8.3 Condensadores Evaporativos

Uma instalação que usa um condensador evaporativo dispensa o condensador normal; esse equipamento é uma composição de condensador e torre numa só peça.

Os condensadores evaporativos podem ser colocados acima ou abaixo dos evaporadores, sendo melhor acima; podem ser usados para instalações que utilizam mais de um compressor.

8.3.1 Partes Constituintes

A figura 8.7 apresenta um esquema típico de um condensador evaporativo que é composto das seguintes partes:

Figura 8.7: Condensador evaporativo – partes constituintes. [2]

8.3.2 Funcionamento

As figuras 8.7 e 8.8 tem-se o conjunto montado para operação. O gás quente oriundo do compressor passa pelas serpentinas de condensação, onde recebe a água borrifada; nessa região, o gás cede calor à água e ao ar e se condensa, sendo depositado no receptor do líquido sob a forma de líquido em alta pressão. Do receptor, o fluido

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frigorígeno se desloca para a válvula de expansão e daí ás serpentinas de expansão direta (evaporador), onde circula o ar que é resfriado. No evaporador, o fluido se torna gasoso e novamente é aspirado pelo compressor pela linha de sucção.

A bomba d’água recebe a água depositada na bandeja e pressiona-a no distribuidor de água e borrifadores. A água espargida é lançada sobre as serpentinas de condensação, provoca troca de calor com o fluido quente e se evapora (calor latente de vaporização). O ar circulando sob a ação do ventilador mantém contato com as serpentinas e a água que lhe cede calor, é lançado ao exterior sob a forma quente e úmida, ou seja, praticamente saturado. À semelhança da torre, a temperatura de bulbo úmido do ar nunca é atingida pela água de retorno situada na bandeja. Haverá sempre um approach (a = tw2 - tu) da ordem de 5°C.

- tw2 = temperatura da água de retorno em °C; - tu = temperatura de bulbo úmido do ar em °C.

Figura 8.8: Condensador evaporativo – Instalação. [2]

8.3.3 Dados práticos gerais para os condensadores evaporativos

(A) Vazão de ar dos ventiladores – deve ser em torno de 7,07 MCM por TR. (B) Água de circulação – a quantidade de água de circulação deve ser de 3,78 litros/minuto por TR. (C) Perdas de água – a quantidade de água perdida por evaporação é da ordem de 0,126 litros/minuto por

TR, ou seja, cerca de 3,3% de perda. Na tabela 8.1 é apresentado alguns dados para os condensadores evaporativos baseados nos dados

práticos acima descritos.

Tabela 8.1: Dados Recomendados para escolha de condensadores evaporativos. [2]

Capacidade (TR) 5 10 15 20 25 30 40 50

Vazão do ventilador (MCM) 36 71 106 141 177 212 283 354

Motor do ventilador (HP) 1/2 1 1 1/2 2 3 3 5 5

Entrada de água (Litros) 1/2 1/2 3/4 3/4 3/4 1 1 1

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Vazão da bomba-d’água (litros/min) 19 38 57 76 95 113 151 189

Motor da bomba-d’água (HP) 1/4 1/4 1/3 1/3 1/2 1/2 1/2 3/4

Perdas por evaporação (litros/min) 0,65 1,26 1,89 2,52 3,15 3,78 5,04 6,3

50. Cite três razões pela quais é imposta a instalação de unidades com condensação a ar. 51. Em uma instalação de funcionamento diurno na cidade de Porto Alegre, a temperatura da água de saída da torre é de 29,5°C. Calcule o menor approach anual, utilizando as curvas climatológicas da figura 8.5. 52. Selecionar um resfriador de água para uma instalação com os seguintes dados: - Carga térmica: 60 TR - Temperatura da água quente: 33,5°C - Temperatura de bulbo do ar exterior: 25°C - Vazão da bomba: 3 GPM por TR Usar o gráfico da figura 8.6 e tomar o Z=4. 53. Calcular as perdas de água de um resfriador para uma instalação de 80 TR e o custo mensal dessas perdas, supondo a instalação funcionando 24 horas por dia durante os 30 dias. - Base: 3 GPM/TR - Custo da água: R$ 2,00/m³ 54. Considerando os dados do exercício anterior, calcular o diâmetro recomendado para a tubulação de água da torre de resfriamento. 55. Calcular a potência de uma bomba d’água de circulação (BAC) para uma instalação em que a altura manométrica é 10 m e a carga térmica, 50 TR. Tomar o rendimento de 40% e a vazão de 6 GPM/TR. Resposta em kW. 56. Calcular a altura manométrica do sistema mostrado na figura a seguir, onde tem-se os seguinte dados: - Distância entre a entrada e saída de água na torre: 2,5m - Perda de carga no condensador: 8 m de C.A. - Perda de carga na torre: 6 m de C.A. - Perda de carga na tubulação: 0,5 m/min. - Comprimento da tubulação: 20 m. - Comprimento devido aos acidentes: 40 m.

57. Qual deve ser a vazão de ar do ventilador de um condensador evaporativo para uma instalação de 25 TR? Dar a resposta em MCM. 58. Qual deve ser a quantidade de água de circulação para a instalação do exercício anterior? 59. Qual será a quantidade perdida por evaporação, em litros/minuto, para a instalação do exercício 8.8?

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9.1 Introdução

Há três objetivos principais ao se projetar um sistema de controle numa instalação de ar condicionado: • Conforto; • Economia; • Segurança. O conforto consegue-se mantendo a temperatura e a umidade relativa do ambiente dentro dos limites

desejáveis; a economia é obtida fazendo-se com que certos equipamentos sejam desligados nos momentos de menor carga térmica; a segurança é obtida acionando-se certos dispositivos toda vez que há alguma anormalidade no funcionamento da instalação. Os dispositivos de controle podem ser de dois tipos:

• Liga-desliga (on-off); • Gradual.

Como exemplo de controle liga-desliga, pode-se citar os termostatos e pressostatos; como exemplo de controle gradual, temos a válvula de expansão termostática. 9.2 Sistemas de controles automáticos

Os sistemas de controle mais usados em ar condicionado são: • Elétricos; • Pneumáticos; • Autônomos. Os sistemas elétricos são os mais usuais e se baseiam no princípio de que pequenas correntes podem

controlar grandes cargas. Há dois circuitos básicos no controle elétrico: • Circuito de força, que aciona a máquina operatriz; • Circuito de controle, que uma vez fechado possibilita o fechamento da chave do circuito de força. Os sistemas pneumáticos são acionados por ar comprimido, normalmente a baixa pressão (até 1,05

kg/cm²), e servem para abrir ou fechar válvulas ou registros. Os controles autônomos são assim chamados porque não precisam de fonte externa para agir; utilizam o

princípio da dilatação de um líquido volátil, normalmente o mercúrio para fazer abrir ou fechar uma válvula. 9.3 Controles elétricos

Os controles elétricos podem ser: de acionamento ou de operação do sistema. O controle de acionamento é conseguido por meio de chaves, relés, contactores, lâmpadas sinalizadoras,

botoeiras liga-desliga etc. dispostos de maneira adequada a dar partida, proteger e intertravar os diversos equipamentos que devem entrar em operação segundo uma seqüência apropriada. O controle de operação do sistema é conseguido por meio de termostatos, umidistatos, pressostatos, válvulas solenóides etc., cuja função é manter o recinto dentro das condições de conforto desejadas. Antes de estudarmos o funcionamento de um sistema elétrico de controle e acionamento, vejamos algumas definições:

• Chaves elétricas — são dispositivos destinados a ligar-desligar e proteger os circuitos, com comando local;

• Contactores — equipamentos destinados a ligar-desligar e proteger, com comando a distância ou local, possuem internamente o circuito de controle e o circuito de força;

• Relé auxiliar — equipamentos que permitem ligar-desligar outros circuitos auxiliares, não possuindo circuito de força;

• Relé de sobrecarga — equipamentos de proteção que se abrem quando a corrente ultrapassa certos limites;

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• Botoeira liga-desliga — dispositivos para ligar e desligar os circuitos; • Lâmpadas sinalizadoras — servem para mostrar se um circuito está ligado ou desligado; • Termostatos — equipamentos que permitem a regulação de temperatura através de contatos que se

abrem no limite máximo e se fecham no limite mínimo; • Pressostatos — equipamentos que operam por pressão máxima (desligam o circuito) ou por pressão

mínima (ligam o circuito); • Umidistatos — aparelhos que regulam a umidade relativa do ambiente, abrindo ou fechando o circuito

conforme os limites desejáveis; • Válvulas solenóides — válvulas que abrem ou fecham o fluxo de um fluido qualquer (água, fréon, vapor

etc.) mediante a atuação de uma bobina elétrica comandada por um outro equipamento controlador.

A seguir são apresentados alguns tipos de aparelhos controladores da operação do sistema.

(a) (b) (c) (d) Figura 9.1: (a) Termostato; (b) Pressostato; (c) Medidor de Umidade e (d) Medidor de Vazão.

Agora que já temos noção da função de cada peça, vejamos como será o desempenho de um conjunto.

• Suponhamos os diagramas das figuras 9.2 e 9.3, correspondentes ao funcionamento do condicionador de ar 10T-VA da Coldex-Trane, do tipo self-contained (compacto).

• No circuito de força, vemos como as diversas máquinas do condicionador se ligam às fases R, S, T de uma rede elétrica trifásica. Uma chave geral liga, protege e secciona o condicionador na rede (poderia ser um disjuntor); cada ramal é protegido por fusíveis (F1, F2, F3). Cada máquina é ligada e desligada pelos contactores C1, C2, C3, que são acionados pelas bobinas a-b, que estão no circuito de controle.

• No circuito de controle, vemos os diversos componentes destinados a acionar os equipamentos e a manter as condições necessárias ao conforto no recinto.

Figura 9.2: Circuito de força de um condicionador do tipo self-contained- Condensação a água. [2]

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Figura 9.3: Circuito de controle de um condicionador do tipo self-contained – Condensação a água. [2]

9.4 Diagramas de controle

O controle mais simples é o de um único termostato de ambiente controlando a chave de partida do compressor figura 9.4. Nessa figura vemos uma instalação de conforto para verão em que o termostato de ambiente é regulado para uma única temperatura; quando é atingida essa temperatura, o compressor desliga, e quando a temperatura ultrapassa o ponto fixado, o compressor parte até ser restabelecida a temperatura. Nesse tipo de controle há o inconveniente das ligações e paradas do compressor muito frequentes. Para evitar esse problema, no diagrama da figura 9.5 é indicado o controle por válvula solenóide comandada pelo termostato de ambiente. O papel dessa válvula é fechar o fluxo de refrigerante toda vez que o termostato de ambiente completar o circuito elétrico (quando é atingida a temperatura de corte). O compressor continua funcionando até parar por ação do pressostato de alta.

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Figura 9.4: Controle da partida do compressor por termostato de ambiente. [2]

Figura 9.5: Controle da válvula solenóide. [2]

No diagrama da figura 9.6 vemos uma instalação para verão em que a serpentina de esfriamento

(evaporador) é subdividida de modo a atender a duas temperaturas diferentes. O termostato de dois estágios é uma caixa onde se pode registrar duas temperaturas diferentes. Se, por exemplo, registramos a serpentina menor para que sua válvula solenóide feche a uma temperatura de 80°F (26,7°C) e a serpentina maior é regulada para 78°F (25,6°C), temos o seguinte: se a temperatura ambiente for caindo até 26,7°C, fecha-se a entrada de refrigerante na serpentina menor, mas continua o fluxo de refrigerante pela serpentina maior até ser atingida a temperatura de 25,6°C. Nesse ponto, deixa de entrar refrigerante em ambas as serpentinas. Inversamente, quando a temperatura atingir 25.6°C, abre-se a serpentina maior, e, se a temperatura continuar subindo, a 26,7°C abre-se a válvula da serpentina menor.

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Figura 9.6: Diagrama de controle utilizando termostato de dois estágios. [2]

Na figura 9.7 vemos uma instalação em que a temperatura ambiente deve ter controle rigoroso, O termostato

de ambiente é do tipo modulador, sendo capaz de comandar um controlador de seqüência abrindo cada serpentina por meio da válvula solenóide respectiva, de modo que a temperatura ambiente seja controlada em degraus.

Figura 9.7: Controle de quatro serpentinas. [2]

Na figura 9.8 vemos uma instalação utilizada em localidades em que há grande variação de temperatura no

verão e no inverno.

Figura 9.8: Controle do aquecimento de ambientes. [2]

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Em muitos sistemas de ar condicionado há necessidade de controle da umidade, em especial aqueles em

localidades frias ou onde a umidade é normalmente baixa. Na figura 9.9 vemos uma instalação capaz de controlar a umidade: um umidistato manual é colocado ou no ambiente ou na tubulação de retorno (preferível). Esse umidistato HI age diretamente na válvula solenóide SW que controla o fluxo d’água nos borrifadores. Eles são colocados entre as serpentinas de esfriamento e de aquecimento, e de tal maneira a borrifar água em contracorrente com o ar; desse modo haverá melhor contato e, em conseqüência, melhor umidificação. A umidade desejada é registrada no umidistato HI e, caso o ar de retorno esteja com menor umidade, a válvula solenóide SW é aberta e a água, sob pressão, é espargida pelos borrifadores, aumentando a umidade do ar. Quando atingido o valor desejado, fecha-se a válvula solenóide, cessando a borrifação de água, e a umidade do ar permanece, por algum tempo, no limite desejado.

Figura 9.9: Controle do aquecimento e da umidade do ambiente. [2]

Em algumas instalações pode haver necessidade do controle da pressão estática do ar. Na figura 9.10

vemos um arranjo em que um aparelho sensível à pressão estática do ar é colocado na descarga do ventilador e com comando sobre um motor elétrico que abre ou fecha um registro tipo veneziana.

Figura 9.10: Controle da pressão do ar. [2]

Em um sistema de água gelada (figura 9.11), sabemos que a água gelada é produzida no refrigerador de

água e impulsionada pela bomba de água gelada a todos os fan-coils espalhados no recinto a condicionar. A temperatura mais comum nesses sistemas é de 45°F (7,2°C) controlada por meio de um termostato na sucção da bomba.

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Figura 9.11: Controle da temperatura de um resfriador de água. [2]

Referências Bibliográficas da Apostila

[1] INCROPERA, F.; DEWITT, D. P.; BERGMAN, T. L.; LAVINE, A. S. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa. 6ª edição. Editora: LTC. Rio de Janeiro, 2008. [2] CREDER, H. Instalações de Ar Condicionado. 6ª edição. Editora: LTC. Rio de Janeiro 2004. [3] JABARDO, J. M. S.; STOECKER, W.F. Refrigeração Industrial. 2ª edição. Editora: Blucher. Rio de Janeiro, 2002. [4] PIRANI, M. J. Apostila de Ar Condicionado. DEM – UFBA. S/ ano. [5] SILVA, J. C.; SILVA, A. C. G. C. Refrigeração para Técnicos e Engenheiros. 1ª edição. Editora: Ciência Moderna. Rio de Janeiro, 2007. [6] CORRÊA, J. Refrigeração e Climatização. LABCLIMA – Laboratório de Climatização. S/ ano. [7] MARTINELLI, L. C. Refrigeração e Ar Condicionado: Psicrometria. S/ ano. [8] STOECKER, W. F.; JONES, J. W. Refrigeração e Ar Condicionado. 2ª edição. Editora: McGraw-Hill, 1985. [9] ABNT - NBR 16401 – Instalações de Ar Condicionado. 2008. [10] ABNT - NBR 15220 – Desempenho térmico de edificações. 2003. [11] SILVA, J. C. Refrigeração Comercial e Climatização Industrial. 1ª edição. Editora: Hemus. Rio de Janeiro, 2006. [12] DOSSAT, R. J. Princípios de Refrigeração. 1ª edição. Editora: Hemus. Rio de Janeiro, reimpressão 2004. [13] MORAN, M. J. SHAPIRO, H. N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 7ª edição. Editora: LTC. Rio de Janeiro, 2013.

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Anexo 1 – Planilha para Cálculo da Carga Térmica Simplificada

Faculdade Redentor – Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Aluno: Data:

Ar Condicionado e Ventilação Prof.: Juvenil Nunes de Oliveira Jr.

CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA SIMPLIFICADA

Procedências do Calor Unidades

m² Watts FATORES

Unidade x Fator

Necessidades de Refrigeração (kcal/h)

Tipo 1 – Janelas com insolação Sem proteção Proteção

Interna

Proteção

Externa

1.1 – Norte 240 115 70

1.2 – Nordeste 240 95 70

1.3 – Leste 270 130 85

1.4 – Sudeste 200 85 70

1.5 – Sul 0 0 0

1.6 – Sudoeste 400 160 115

1.7 – Oeste 500 220 150

1.8 – Noroeste 350 150 95

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 2 – Janelas Transmissão

2.1 – Vidro Comum 50

2.2 – Tijolo de Vidro/Vidro Duplo 25

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 3 – Paredes Construção

Leve

Construção

Pesada

3.1 – Externas voltadas para o Sul 13 10

3.2 – Externas outras orientações 20 12

3.3 – Internas voltadas para Ambientes

não condicionados

8

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 4 – Teto

4.1 – Em laje 75

4.2 – Laje com 2,5cm ou mais de

isolação

60

4.3 – Entre Andares 13

4.4 – Sob Telhado Isolado 18

4.5 – Sob Telhado sem isolação 40

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 5 – Piso

5.1 Piso não colado diretamente sobre o

solo

13

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 6 – Pessoas

6.1 Número de pessoas 150

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 7 – Iluminação e Aparelhos

7.1 Lâmpadas ou Aparelhos Elétricos 1

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tipo 8 – Portas ou Vãos

8.1 Abertos constantemente para áreas

não condicionadas

150

Subtotal

Fator climático da Região

(Para o cálculo em BTU/h) CTT x4 Carga Térmica Total (kcal/h)

Carga Térmica Total (BTU/h)

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Anexo 2 – Planilha de cálculo estimado da carga térmica sem simplificações

1. CLIENTE Endereço:________________________________________________________________________________________ Pavimento: ________________

2. CARACTERÍSTICA DO VERÃO LOCAL

2.1 Temperatura Interior Exterior

Bulbo Seco 25°C

2.2 Umidade Relativa 50%

3. CARACTERÍSTICAS DA CONSTRUÇÃO

3.1 Telhado ( ) Claro ( ) Médio ( ) Escuro

3.2 Paredes Externas ( ) Clara ( ) Média ( ) Escura

3.3 Janelas ( ) Com toldo ( ) Na Sombra ( ) Sem proteção

4. GANHOS POR CONDUÇÃO – CALOR SENSÍVEL

Dimensões (m x m)

Área (m²)

U T Calor Sensível

Kcal/h W

4.1 Parede Externa (Total)

4.2 Janelas com Vidro

4.3 Parede excluindo janela

4.4 Paredes divisórias

4.5 Vidros nas divisórias

4.6 Teto ou telhado

4.7 Diversos

4.8 Total de Condução

5. GANHOS POR INSOLAÇÃO – CALOR SENSÍVEL

Dimensões (m x m)

Área (m²)

Fator Solar U T

Calor Sensível

Kcal/h W

5.1 Janelas com vidro voltadas p/oeste

5.2 Janelas com vidro voltadas p/ sul

5.3 Paredes voltadas p/ oeste

5.4 Telhados

5.5 Claraboias

5.6 Diversos

5.7 Total de insolação

Page 123: Apostila de Ar Condcionado e Ventilação - 2ª edição.pdf

Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 123 6. GANHOS NOS DUTOS – CALOR SENSÍVEL

Dimensões (m x m)

Área (m²) U T

Calor Sensível

A (larg.)

B (altura)

C (Comp.)

2c (a + b) Kcal/h W

6.1 Total nos dutos

7. GANHOS DEVIDO ÀS PESSOAS – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

Pessoas Nº Fator

Sensível Fator

latente Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h W Kcal/h W

7.1 Sentadas

7.2 Em Exercício moderado

7.3 Em movimento brusco

7.4 Total devido às pessoas

8. GANHO DEVIDO AOS EQUIPAMENTOS – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

Watts HP Fator

Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h W Kcal/h W

8.1 Pequenos motores elétricos (2 HP) ou menores

8.2 Pequenos motores elétricos (3 HP) ou maiores

8.3 Luz Incandescente

8.4 Luz fluorescente

8.5 Equipamentos a gás

8.6 Tubulações

8.7 Diversos

8.8 Total devido aos equipamentos

9. GANHO DEVIDO À INFILTRAÇÃO – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h W Kcal/h W

9.1 Infiltração pelas janelas

9.2 Infiltração pelas portas

9.3 Infiltração diversas

9.4 Total de infiltrações

Page 124: Apostila de Ar Condcionado e Ventilação - 2ª edição.pdf

Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 124 10. RESUMO

Calor Sensível Calor Latente

Kcal/h W Kcal/h W

4.8 Condução

5.7 Insolação

6.1 Dutos

7.4 Pessoas

8.8 Equipamentos

9.4 Infiltração

10.1 Total sensível

10.2 Total latente

10.3 Calor Total

11. GANHO DE CALOR DEVIDO À VENTILAÇÃO – CALOR SENSÍVEL E LATENTE

11.1 Nº de pessoas _____ x ______ m³/h/pessoas = _______________m³/h 11.2 m³/h de ar exterior = _____________x 0,29 (te – ti) = ________________kcal/h-sensível 11.3 m³/h de ar exterior = _____________x 1,2 (UE2 – UE1) x 583 = _______________kcal/h – latente

12. CARGA TÉRMICA TOTAL 12.1 Sensível Item 10.1 = kcal/h Item 11.2 = kcal/h Subtotal= kcal/h 12.2 Latente Item 10.2 = kcal/h Item 11.3 = kcal/h Subtotal= kcal/h 12.3 Latente Item 12.1 = kcal/h Item 12.2 = kcal/h Subtotal= kcal/h Segurança 10% = kcal/h Total = kcal/h

13. TOTAL DE AR DE INSUFLAMENTO

13.1 Percentagem de calor sensível:

13.2 Temperatura de bulbo seco do ar de insuflamento = ______°C 13.3 Temperatura de bulbo úmido do ar de insuflamento = ______°C 13.4 Diferencial de temperatura do ar de insuflamento: Bulbo seco do recinto = ______°C – Item 13.2 = _______°C 13.5 Total de Insuflamento =

Anexo 3 – Carta Psicrométrica

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 125

Anexo 3 – Carta Psicrométrica

Page 126: Apostila de Ar Condcionado e Ventilação - 2ª edição.pdf

Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 126 Anexo 4 –Ábaco 1 – Perda por Atrito nos dutos retos

Page 127: Apostila de Ar Condcionado e Ventilação - 2ª edição.pdf

Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 127 Anexo 4 – Ábaco 2 – Dutos retangulares equivalentes a dutos circulares

Page 128: Apostila de Ar Condcionado e Ventilação - 2ª edição.pdf

Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 128 Anexo 4 – Ábaco 3 – Perda por Pressão Dinâmica