Disciplina Condicionamento de AR

CLCULO DE CARGA TRMICA

ACT/DEM

Prof. Diniz

Clculo de Carga Trmica.Carga trmica quantidade de calor sensvel e latente. Que deve ser retirada ou colocada no recinto (ambiente) a fim de proporcionar as condies de conforto desejadas. A carga trmica pode ser atravs de: Conduo; Insolao; Dutos; Pessoas; Equipamentos; Infiltrao e Ventilao.

1) Carga Trmica de Conduo Conveco Calor sensvel.Transferncia de Calor por conduo e por hora pode ser expressa, para materiais homogneos, paredes planas e paralelas.

Q = A TOnde: Q > Taxa de fluxo de calor transmitido em Kcal/h A > rea da superfcie normal ao fluxo em m2 T > Diferena de temperatura entre as duas superfcies separadas pela espessura x em C. > Conduo > K/x x > Espessura do material em (m ) K > Condutividade Trmica do Material por unidade de comprimento em Kcal. m /h.m2.C.

Quando o material no homogneo, por ex: uma parede construda com tijolos, massa e isolamento tm: = C > Condutncia em Kcal / h. m2 C. Caso de Conveco. > h > Condutncia da superfcie contato ou filme Kcal / h. m2 C. Os valores da Condutncia da Superfcie ou filme h dependem da cor da rugosidade e da Velocidade do vento. Os valores mdios para h quanto ao vento: Ar parado = 1,46 a 1,63 BTU / h ft2 F = 7,13 a 9,96 Kcal / h. m2 C. Ar a 12 Km/h = 4 BTU / h ft2 F = 19,5 Kcal / h. m2 C. Ar a 24 Km/h = 6 BTU / h ft2 F = 29,3 Kcal / h. m2 C. No caso de Condicionamento de ar usa-se o coeficiente global de transferncia de calor > = U Coeficiente Global de Transmisso de Calor definido como o Fluxo de Calor por Hora atravs de uma superfcie de um metro quadrado (m2 ), quando a diferena de Temperatura do Ar dos dois Lados da parede ou teto ou outro de um Grau Centgrado (1 C). 1 BTU / h ft2 F = 4,883 Kcal / h. m2 C Tabela 1 => Apresenta Coeficiente de transferncia de Calor dos materiais de construo. Exemplo (1 e 2) -> Unidade inglesa e SI

Tabela 2 => Diferena de Temperatura usada nos projetos ( T) Baseada na diferena de 9,4 C entre a Temperatura externa e o recinto Condicionado. Tabela 3 => Coeficiente Globais de Transmisso de Calor U em Kcal/h. m2 C. Exemplo (3) ->

2) Carga Trmica devido Insolao Calor sensvel. a energia solar que a responsvel pela maior parcela da carga trmica nos clculos do ar condicionado, em geral como radiao e conveco. Por absoro a energia de radiao solar pode ser introduzida nos recintos em maior quantidade quanto menos brilhante for a superfcie refletora. Por exemplo: Energia Radiante em funo da Cor. Tabela 4 Cor Alumnio Polido Vermelho-Claro Preto Calor Refletido 72% 37% 6% Calor Absorvido 28% 63% 94%

De forma geral, tm-se outros Fatores que influenciam nesse percentual. Assim, a temperatura dos Tetos e Paredes depende:

>Tipo da Construo; > Coordenadas geogrficas do local (latitude); > Inclinao dos raios do Sol (funo da poca do ano e da hora considerada); > Cor e rugosidade da superfcie; > Refletncia da superfcie; Para estimativa da carga trmica temos que saber o horrio da utilizao do recinto (dependncia) e fazer o clculo da incidncia mxima do Sol. Por exemplo: Tabela 5 (Valor do fator Solar obtidos experimental para parcelas em Kcal/h por m2 de rea de vidro, ou W/m2 ). Hemisfrio Sul ms de vero, a parede recebe maior insolao a voltada para o Oeste das 16 e 17 h. Para clarabias (teto de vidro), ao meio dia. Mesmo sabendo como ser a preciso da quantidade de calor por radiao e conveco vindo do Sol, no temos bem conhecido a parcela que penetra no recinto, as tabelas nos fornece um valor bem aceitvel para o clculo do ar condicionado.

2.1) Transmisso de Calor do Sol atravs de superfcie transparente Vidro. A energia incidente do Sol numa superfcie transparente subdivide em: > Refletida q1 > Absorvida pelo vidro q2

> Atravessa o vidro q3 ( Parcela que interessa no clculo da carga trmica)

Q q2

q1

q3

Onde:

Q = q 1 + q2 + q 3

Considerando a Tabela 5, supondo a janela sem proteo. Mas, caso seja protegidas por dispositivos de proteo deve-se multiplicar pelos coeficientes: Considerando janela com esquadrias de madeira. Toldos ou persianas externas > 0,15 0,20. Persianas internas e refletores -> 0,50 0,66. Cortinas internas brancas (opacas) -> 0,25 0,61. Para esquadrias metlicas multiplicar pelo fator 1,15. Quando precisar de clculos mais elaborados e com mais preciso observar os estudos sobre as consideraes Fsicas da Insolao do Sol. Exemplo -> (4)

2.2) Transmisso de Calor do Sol atravs de superfcie Opaca Sabemos que as paredes, lajes e telhados transmitem Energia Solar para o interior do recinto atravs da conduo e conveco: Q = A X U X [ Te Ti ] + T Onde: Q = Watts; A = rea em m2 ; U = Coeficiente Global de Transferncia de Calor em Kcal/h. m2.C Te = Temperatura do exterior em C; Ti = Temperatura do interior em C; T = Acrscimo ao diferencial de Temperatura, Tabela (6) (Acrscimo ao Diferencial de Temperatura - T em F e C. Exemplo -> (5)

3) Carga Trmica devido aos Dutos Calor sensvel.O ar insuflado num ambiente (recinto) condicionado retorna ao aparelho condicionador por meio da Diferena de Presso que lhe fornecida pelo ventilador. O RETORNO pode ser feito de dois modos:

1 -> Sob forma de plenum ( utilizando um ambiente como o prprio recinto) por exemplo: um corredor, um teto rebaixado, uma escada etc. Como se fosse um conduto de Ar. 2 -> Utilizando propriamente dito um DUTO de Retorno. Lembre-se que o Ar de retorno adicionado CALOR do recinto, o qual deve ser retirado pelas serpentinas do evaporador, em ambos os casos (1) e (2). Pergunta: Como determinar a carga trmica devido aos dutos se estes ainda no foram calculados? Assim, precisa saber qual a Quantidade de Ar a ser Insuflado no Recinto, -> essa quantidade de ar depende da Carga Trmica). Um caminho prtico estimar o traado e as dimenses dos dutos, e assim, que chegar a quantidade de ar insuflado no ambiente e tendo-se calculado o sistema de dutos, fazer a verificao se a estimativa carga trmica est adequada, considerando uma margem de 10% de erro, caso contrrio recalcular novamente a carga. Tabela (7) (Coeficiente Global de Transferncia de Calor U para Dutos em BTU/h ft2 F e em Kcal/h m2/C).

q = A . U . T q = Watts ou Kcal/h;

Onde:

A = rea LATERAL do duto exposta ao calor, em m2 ; U = Coeficiente Global de Transferncia de Calor, Tabela (7)

T = Diferencial de temperatura entre o ar exterior e o ar interior ao duto em /C. A determinao da rea lateral pode ser feita, ex: A = 2bc + 2ac = 2c (a + b). Se o duto ficar apoiado na parede ou laje, a rea envolvida fica reduzida a A = c ( a + 2b).

c b a

4) Carga Trmica devido a Pessoas Calor Sensvel e Latente.A Umidade do Ar VAPOR SUPERAQUECIDO e se aumentar a Umidade aumentar a carga de Calor Latente. A mistura Ar e Vapor dgua (ar mido) do recinto conduzida ao equipamento Evaporador, a se d a Queda de Entalpia e conseqentemente a diminuio do Calor sensvel e Condensao da parte do Vapor com a queda da umidade. Assim o ar volta ao recinto Resfriado e desumidificado. O ganho de Calor Latente pode ser expresso em termos da massa da umidade. O valor mdio do Calor Latente de Vaporizao para o Vapor Superaquecido no Ar de 583 Kcal/h por kg ou 1050 BTU/h por libra de vapor condensado. Assim, se desejarmos saber qual a quantidade de Calor Latente que deve ser retirado do AR que passa pelo Equipamento Evaporador do Condicionador de Ar, para que haja Condensao da Umidade, basta multiplicar a Massa do Ar por esse fator. Exemplo -> (7). > Todo ser humano emite Calor Sensvel e calor Latente conforme se o indivduo esteja em Atividade ou em repouso. > Em atividade o ser humano pode emitir cinco vezes mais calor quando em repouso. > Considerando a Temperatura mdia normal do corpo 37C (98,6 F), verifica-se experimentalmente que quanto maior a temperatura externa, maior a quantidade de Calor Latente emitida, e quanto menor esta temperatura, maior o Calor Sensvel.

Isto , O Organismo humano possui um controlador, mecanismo Termosttico, que atuando sobre o Metabolismo, matem a Temperatura do corpo aproximadamente constante, embora varie as condies externas. Se a Temperatura exterior for superior a 37 C, o Calor transferido do exterior para o corpo. E isso provoca transpirao e conseqentemente eliminao de vapor de gua pela respirao, adicionando apenas Calor Latente ao Ar. > Se a Temperatura exterior inferior a 15,6 C (60 F), a transferncia de calor se d do corpo para o ambiente (recinto), porm s na forma de Calor Sensvel. Portanto entre essas duas temperaturas externas, 15,6 C e 37C, o corpo humano emite Calor Sensvel e Calor Latente ao Ambiente (recinto), mantendo constate o Calor Total. A Tabela (8) baseada na norma NBR-6401 Calor liberado pelas pessoas em funo da temperatura e das s Atividades. Exemplo -> (8) OBS: O organismo humano, para manter suas funes bsicas, em repouso, exigidas pelo metabolismo, consome em mdia 16 litros de Oxignio (0 e 760 mm de Hg) por hora, em dados prticos, 10 m3 de ar por dia. No ar atmosfrico introduzido no recinto apenas 21 % Oxignio. Assim, a quantidade de Oxignio : 10 m3 X 2,1 m3 por dia ou 2,1/24 = 0,087 m3 / h. Desse total apenas 7 % Oxignio absorvido pelo corpo, isto , 0,07 X 0,087 = 0,006125 m3 / h.

Porm, como o ar introduzido no recinto se dilui no ambiente, h necessidade de ser compensado essa diluio com um aumento de 100 a 150 vezes desse volume (veja Tabela 15), para no haver acidentes por falta de Oxignio.

5) Carga Trmica devido aos Equipamentos Calor Sensvel e Calor Latente. 5.1) Carga Devida aos Motores Calor Sensvel.Os motores Eltricos adicionam carga trmica quando dentro do recinto, em qualquer ponto do fluxo de Ar, seja nos Ventiladores, motivo perdas dos enrolamentos e precisa ser retirado do equipamento frigorfico. preciso considerar se o motor est funcionando contnuo ou intermitente. Ventiladores dentro da corrente de AR: q = P / (2.940) q -> BTU / h P -> HP - > Rendimento do motor = 1 -> quando o ventilador estiver fora da corrente de AR. Exemplo: (9) ->. Exemplo: (10) ->. A Tabela (9) Ganho de Calor em Watts por HP para Motores Eltricos. q = P / (733) q -> W P -> CV.

5.2) Carga Devida a Iluminao Calor Sensvel. Iluminao Incandescente: q = total em Watts, unidades em SI. q = Watts x 3,4 -> quando, q, dado em BTU / h. Iluminao Fluorescente: q = total de Watts x fator devido ao reator. Para se ter a Carga em Kcal / h => 1 kW-h = 860 Kcal. A iluminao Fluorescente precisa de um reator para dar a tenso necessria de partida. Esse equipamento adiciona 20% da Carga. Caso a instalao s dispes de reatores duplos ou de alto fator de potncia essa carga adicional pode ser reduzida. Deve-se levar em conta que nem todas as lmpadas esto ligadas ( acesas), isso no calculo inicial da carga, pois pode ocorrer carga trmica de insolao mximas em alguma horas, muitas lmpadas podem ser desligadas.Exemplo: (11) -> A Tabela (10) Valores recomendados para Consumo de Energia Eltrica para Iluminao.

5.3) Carga Devida aos Equipamentos a Gs Calor Sensvel e Calor

Latente. Locais como refeitrios, cozinhas, restaurantes, cafeterias,

laboratrios, ambientes fabril, etc., poder haver equipamentos de gs, cuja queima pode adicionar duas parcelas de carga trmica ao recinto: Calor devido a queima direta do gs e fumaa introduzida ao recinto.A Tabela (11) Ganho de Calor devido ao Gs. Outros tipos de equipamentos consultem os fabricantes. Caso no encontrem, pode-se ter idia dos clculos com alguns dados: -> O gs natural libera na queima cerca de 35000 BTU / m3 (8820 Kcal / m3 ); -> O GLP libera cerca de 70000 BTU / m3 (17641 Kcal / m3 ); Note que: Um queimador de gs de 5 cm consome cerca de 0,30 m3 de gs por hora; Um de 10 cm consome cerca de 0,45 m3 de gs por hora. Para clculo da carga trmica suficiente considerar metade da carga como calor sensvel e o como calor latente.

Exemplo -> (12) 5.3) Carga Devida tubulaes Calor Sensvel Caso em que a tubulao de Condicionamento de Ar encontre no recinto tubulaes de gs quente (vapor) ou gua quente, provavelmente nas instalaes Industriais. Exemplo -> (13)

A Tabela (12) Carga Trmica devida as Tubulaes Quentes em Watts por metro linear.

6) Carga Trmica devido a Infiltrao Calor Sensvel e Calor Latente.O movimento do Ar exterior ao recinto provoca sua infiltrao (penetrao) atravs de fendas (pequenas aberturas), janelas, portas, ou outras aberturas. Essa infiltrao adiciona carga trmica sensvel ou latente. O clculo no muito preciso, porm pode-se ter uma estimativa. Dois mtodos existem:

6.1) Mtodo da troca de AR Calor Sensvel e Latente.A Tabela (13) Trocas de Ar por Hora no Recinto.

Esse mtodo supe a troca de Ar por hora no recintoTrocar de ar quer dizer renovar o todo ar contido no recinto por hora. Assim, temos o Calor do ar exterior aumentando o calor do ar do recinto. Por exemplo: Se num quarto temos trs paredes com janelas em cada uma em contato com o ar exterior, o calor devido a penetrao (infiltrao) calculado na base de duas horas de troca. Conhecido o fluxo de AR em kg / h e a temperatura do ar exterior e do recinto (C) SI. Determina-se o calor sensvel por: qs = m c ( Te Ti )

qs -> Calor sensvel em Kcal / h m -> fluxo de ar kg / h c -> Calor especfico em Kcal / kg C. Te -> Temperatura do ar exterior C Ti -> Temperatura do ar interior ( recinto) C Sabemos que 0,833 m3 o volume ocupado por 1 kg de ar na CNPT. Logo como o calor especfico c > na CNPT 0,24 Kcal / kg C. Q = vazo de ar em m3 / h. m = Q / 0,833 = 1,2 Q qs = 1,2 Q . 0,24 ( Te Ti ) -> = > qs = Q . 0,29 ( Te Ti ) A equao pode ser deduzida tambm para unidade inglesa.

Exemplo -> (14) 6.2) Mtodo das Frestas - Calor Sensvel e Latente.O ar que penetra no recinto depende da velocidade do vento. Quando a presso do ar no recinto superior do ar exterior, no h infiltrao, essa parcela pode ser desprezada. O ar que penetra no recinto aumenta a carga trmica em calor sensvel e latente. A equao anterior determina o Calor Sensvel e para o Calor Latente temos: ql. = 583 . C

C = ( U E2 . U E 1 ) . . Q ql. -> Calor Latente em Kcal / h U E2 -> Umidade Especfica do ar no interior em kg / kg ar seco. U E1 -> Umidade Especfica do ar na entrada em kg / kg ar seco -> Peso especfico do ar e m kg / m3 Q -> Fluxo de ar em m3 / h A Tabela (14) Infiltrao (penetrao) do Ar Exterior multiplicados pelo comprimento linear da fresta, do a quantidade de calor que penetra no recinto.

7) Carga Trmica devido a Ventilao Calor Sensvel e Calor o Calor Latente.O ar insuflado no recinto condicionado retorna ao equipamento de refrigerao, impulsionado pelo ventilador, o qual dimensionado para vencer todas as perdas de cargas estticas e dinmicas existentes em todos os sistemas (circuito)de ar. Parte desse ar perdida (perdas) pelas as aberturas, frestas, portas, exaustores e outras, precisando ser recompletadas pelo ar do exterior. Alm desse ar que recompletado, h o ar necessrio s pessoas em m3 / h fornecido pela tabela 15 baseada na NBR 6401. A Tabela (1) Ar Exterior para Ventilao. O Ar exterior introduz Calor sensvel e Calor Latente ao ser misturado com o ar de retorno antes de passar pelo dispositivo de refrigera Evaporador.

Exemplo -> (15) Exemplo -> (16) 8) Carga Trmica TOTAL.De posse de todas as Cargas Trmicas apresentadas anteriormente, e adicionando-as, temos assim o somatrio dos Calores Sensveis e Calores Latentes a retirar (ou introduzir) do recinto (ambiente) para obter as condies de conforto desejadas. Somando ambas temos o Calor TOTAL Como segurana para atender s penetraes de calor eventual ao recinto, utilizamos o fator de 10% acrescentado ao clculo. Geralmente os resultados so dados em Toneladas de Refrigerao TR assim, temos: 1 TR = 12000 BTU / h = 3024 Kcal / h = 3,52 kW.

9) Total de Ar de Insuflamento Determina-se a quantidade total de ar desde que conhecido: A carga trmica de calor sensvel a ser retirado do recinto; Condies do ar interior; Condies do ar de insuflamento. Q = qs / 0,29 . (Ti Te ) m Onde: Q = Vazo de ar em m3 / h.

Ti = Temperatura do recinto C. Te = Temperatura de entrada no recinto C. qs = Calor sensvel Kcal / h.

Exemplo -> (17) Exemplo -> (18) 10) Clculo da Absoro da Umidade dos Recintos. Para manter o conforto no vero temos que remover (ou adicionar) certa quantidade de umidade. O ar que lanado no recinto absorve a umidade, e a TPO cresce. Desse modo a TPO do ar insuflado deve ser inferior do ar do recinto. Tambm a TBS do ar insuflado cresce quando este fica em contato com ar do recinto condicionado. A Umidade absorvida pode ser expressa: mvt = m . UE Onde: mvt -> Massa Total do Vapor de gua absorvido em kg / g m -> Massa do Ar em kg / g UE -> Variao da Umidade do Ar de Insuflamento em kg / kgU E2 -> Umidade especfica na entrada em kg / kg de ar seco U E1 -> Umidade especfica na saida em kg / kg de ar seco Logo:

mvt = 1,2 Q (U E2 . U E1)

Q -> Vazo de ar em m / h.

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Exemplo -> (19) 11) Clculo do Calor Latente.Conhecendo a carga trmica de calor latente pode-se dimensionar o equipamento de Desumidificao para as condies desejadas. O objetivo desse Equipamento de Condensar a Umidade adicionada ao Ar circulante dentro do Recinto Condicionado. Sabe-se que: o Calor Latente liberado pela condensao do Vapor de gua (vapor d gua) de 583 Kcal / h por kg de Vapor do Condensado. ql. = 583 . m Onde: ql. -> ganho de calor latente no recinto em Kcal / h m -> massa do vapor de gua (vapor d gua) Condensado em kg / h. OBS: Para se poder avaliar o valor Condensado, utiliza-se h (Variao de

Entalpia), entre o Ar de suprimento e o Ar na temperatura ambiente. Ento:ql. = Q . . h ou ql. = 1,2 Q . h Q -> Vazo de ar em m / h.3

h -> Variao de Entalpia do Calor Latente em Kcal / h -> Peso especfico do ar e m kg / m3 > Ar padro => = 1,2 kg / m3

Exemplo -> (20)