cÁlculo de cargas tÉrmicas refrigeraÇÃo

2006/2007 BALANÇO TÉRMICO DE INSTALAÇÕES

1. Cálculo de cargas térmicas de refrigeração.............................................................................................2

1.1 Ganhos por condução..................................................................................................................... 3

1.2 Ganhos por Serviço......................................................................................................................... 4

1.2.1 Ganhos por admissão de ar exterior.......................................................................................4

1.2.2 Ocupação................................................................................................................................ 5

1.2.3 Iluminação............................................................................................................................... 5

1.2.4 Equipamentos......................................................................................................................... 5

1.3 Ganhos por carga do produto..........................................................................................................5

1.3.1 Arrefecimento (calor sensível)................................................................................................5

1.3.2 Congelação (calor sensível + latente).....................................................................................6

1.3.3 Respiração do produto (frutas e legumes)..............................................................................6

1.4 Balanço Térmico.............................................................................................................................. 6

2. Cálculo da Potência dos Equipamentos..............................................................................................7

3. Permutadores de calor......................................................................................................................... 7

4. Métodos de transferência de calor.....................................................................................................10

4.1 Equação da transferência de calor por convecção........................................................................10

4.2 Cálculo do coeficiente global de transferência de calor K.............................................................10

4.3 Carga térmica transferida através de uma parede........................................................................10

4.4 Equação fundamental da transferência de calor...........................................................................10

Símbolos e Unidades...................................................................................................................................... 11

Notas acerca de câmaras frigoríficas.............................................................................................................12

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BALANÇO TÉRMICO DE INSTALAÇÕES 2006/2007

1. Cálculo de cargas térmicas de refrigeração

A potência térmica nominal de arrefecimento de uma câmara frigorífica é a potência dos ganhos térmicos

nas condições nominais de projecto e corresponde à potência útil que é necessário extrair para compensar

aqueles ganhos, mantendo no seu interior as condições pretendidas de temperatura e humidade.

A potência térmica nominal de arrefecimento é calculada pela soma algébrica dos valores parcelares

correspondentes aos ganhos por:

1. Condução ou transmissão (pelas paredes, pelos envidraçados, cobertura e pavimento)

2. Serviço

2.1. Renovação de Ar (infiltração por portas)

2.2. Pessoas ou ocupantes

2.3. Iluminação

2.4. Equipamentos

3. Produto

3.1. Arrefecimento (calor sensível)

3.2. Congelação (calor latente)

3.3. Respiração do produto (frutas e legumes)

Antes de começar a calcular as cargas térmicas é necessário o cálculo prévio das dimensões da câmara

frigorífica ou recinto a refrigerar. Estas dimensões dependem da carga a armazenar, refrigerar, de acordo

com o fim a que se destina a instalação. A capacidade da câmara e consequentemente as suas dimensões

calculam-se seguindo os passos abaixo.

Cálculo da Capacidade de Carga da Câmara

Densidade de Carga

Se a densidade de carga estiver em kg/m3:



Se a densidade de carga estiver em kg/m2:

Volume Total da Câmara

Conhecendo o volume da Câmara a utilizar, e por consulta de catálogos e tabelas de fabricantes

determinam-se o as dimensões da câmara a utilizar (CxLxH).

A carga diária a considerar será 10, 15% ou 20% da capacidade máxima da câmara frigorífica,

excepto se a câmara for carregada de uma só vez.

% da Capacidade Total Utilização

10 a 15% Normal

20% Despensas de cantinas ou grandes restaurantes

O volume útil de uma câmara frigorífica é de 75% do total de modo a permitir a carga e descarga

dos produtos.

Geralmente a temperatura dos pavimentos mantém-se aproximadamente constante entre 17 e

19ºC, para câmaras montadas no interior de outros espaços.

Para câmaras de frutas e legumes, em que há respiração pelo produto são utilizados sistemas para

garantir a renovação do ar 4 vezes ao dia (4 renovações/dia).

Horas de Funcionamento dos Estabelecimentos (Cálculo de Cargas pelo produto e outras)

Horas de funcionamento

Local

8 Lojas, Talhos, Peixarias, Supermercados

12 Restaurantes, Pastelarias, Supermercados, Hipermercados, Grandes superfícies, etc.

24 Instalações IndustriaisEstes valores são apresentados apenas a título indicativo e devem ser estudados e verificados caso a caso.



1.1 Ganhos por condução

Ganhos pelas paredes, pelos envidraçados, pela cobertura e pelo pavimento e deve-se à diferença de

temperatura do ar entre o interior e o exterior da câmara ou móvel frigorífico.

Paredes

Cobertura

Pavimento

Portas

Janelas/Vidros

1.2 Ganhos por Serviço

Os ganhos de calor por serviço são originados pela abertura de portas, iluminação, calor do pessoal ou

outras fontes de calor no interior da câmara.

Para Câmaras de conservação de frutas e legumes devem utilizar-se dispositivos de renovação de ar que

garantam, pelo menos 4 renovações por hora.

Os ganhos de calor por serviço são calculados seguindo a metodologia apresentada nos pontos seguintes,

todavia, para cálculos de pouca importância ou para realizar estimativas rápidas quando não há dados

específicos acerca do local a refrigerar podem utilizar-se percentagens sobre a carga térmica das paredes,

de acordo com a tabela seguinte:

Câmaras de Conservação 10 % da carga pelas paredes

Câmaras para retalhistas (Talhos, Peixarias, Supermercados, etc.) 25 % da carga pelas paredes

Restaurantes, Bares e Pastelarias 40 % da carga pelas paredes

1.2.1 Ganhos por admissão de ar exterior

Ganhos de calor resultante da entrada de ar exterior no interior da câmara, devidas a infiltração pela

abertura de portas, e através da renovação de ar por utilização de sistemas de ventilação. São ganhos

de calor sensível e de calor latente e são devidas a infiltrações ou a renovação mecânica do ar.

Sensível

Latente

Volume Ar Novo por

Infiltração



Renovações de Ar por

infiltração

Câmaras de baixas temperaturas (Congelação e conservação de

congelados)

Câmaras refrigeradas

Movimento de pessoas

Portas abertas

Portas (koelet)

– factor de correcção

1.2.2 Ocupação

Ganhos de calor resultantes do número de pessoas e da actividade exercida no espaço a refrigerar.

Sensível

Latente

1.2.3 Iluminação

Corresponde aos ganhos de calor sensível resultantes da iluminação do espaço.

Iluminação Individual

Iluminação ambiente

1.2.4 Equipamentos

Só se contabilizam quando existam equipamentos com libertação de calor significativo (deve ser

considerado o valor da potência térmica libertada indicado pelo fabricante).

Sensível

Latente



1.3 Ganhos por carga do produto

Ganhos de calor devidos ao arrefecimento dos produtos a conservar ou congelar e devido à sua libertação

de CO2.

1.3.1 Arrefecimento (calor sensível)

Resulta do arrefecimento necessário para baixar a temperatura dos produtos a refrigerar até à sua

temperatura de conservação.

Sensível

1.3.2 Congelação (calor sensível + latente)

É composta pelas quantidades de calor sensível e latente a retirar de modo a congelar e manter os produtos

congelados à temperatura adequada.

Calor Sensível (até temp. congelação)

+ Calor latente de Congelação

+ Calor Sensível (abaixo de temp. congelação)

= Carga Térmica Congelação

1.3.3 Respiração do produto (frutas e legumes)

Resulta do calor produzido pelo amadurecimento e consequente libertação de CO2, de frutas e vegetais.

Calor de Respiração

1.4 Balanço Térmico

Ganhos Carga Sensível Carga Latente Carga Térmica



Envolvente exterior

Envolvente interior

Envidraçados

Admissão por ar exterior

Ocupação

Iluminação

Equipamentos

Desumidificação

Total

2. Cálculo da Potência dos Equipamentos

A potência dos equipamentos é a potência necessária para compensar a carga térmica calculada durante

24 horas, mas garantindo que o funcionamento do compressor não é contínuo, mas sim apenas um

determinado número de horas, por exemplo 16 a 18 horas por dia.

fsH

24QP

fs

24

HQ

P

fs

dia

HQ

PSegurança Margem

dia

HQ

P

ntofuncioname

totalosequipament

ntofuncioname

totalosequipament

ntofuncioname

totalosequipament

ntofuncioname

totalosequipament

Factor de segurança (Cálculo da Potência dos Equipamentos)

Margem de Segurança fs

Margens e factores de segurança Fs

(Aplicado sobre a carga térmica Total)

5 % 1,05

10 % 1,10

Horas de Funcionamento do Grupo de Condensação [Error: Reference source not found] (Cálculo da Potência dos



Equipamentos)

Horas de funcionamento Tipo de Descongelação Temperaturas das Câmaras

14 a 16 Natural > 1ºC

18 a 20 Resistências < 1ºC

3. Permutadores de calor

Trocas de Calor em Permutadores de Calor

Potência Cedida pelo Fluido Quente

Potência Recebida pelo Fluido Frio

Potência Transferida no Permutador

Troca de Calor

Diferença de Temperatura – diferença entre a temperatura de entrada e de saída de um fluido num

permutador, isto é, a temperatura que um fluido ganha ou perde ao atravessar um permutador.

se o fluido perde temperatura (arrefece)

se o fluido ganha temperatura (aquece)

Diferença Média de Temperatura – diferença média aritmética, aproximada, da temperatura entre os

fluidos de um permutador de calor.

Diferença Média Logarítmica de Temperatura (DMLT) – diferença média, real, de temperatura

entre os fluidos de um permutador de calor.



Permutadores em co-corrente ou fluxo paralelo Permutadores em contra-corrente

A Diferença Média Logarítmica de Temperatura utiliza-se quando as amplitudes de temperatura no

permutador são muito grandes.

Como regra prática pode considerar-se a seguinte1:

Em que:

1 Apresentada pela Roca para selecção de radiadores.



3.1 Evaporadores e condensadores

Em evaporadores e condensadores, pode assumir-se com razoável precisão que a temperatura do

refrigerante durante a evaporação e a condensação são relativamente constantes uma vez que essa

variação é conseguida em grande parte devido ao aumento ou diminuição bruscas da pressão a que o fluido

se encontra o que permite que o fluido condense a temperaturas altas e evapore a baixas temperaturas. Se

a temperatura se mantiver constante do lado do fluido refrigerante, então a parede do permutador estará a

essa temperatura, o que nos permite reescrever as equações acima, da seguinte forma:



Evaporação Condensação

Simplificando e assumindo, com reduzida margem

de erro, que no evaporador:

Simplificando e assumindo, com reduzida margem

de erro, que no condensador:

4. Métodos de transferência de calor

4.1 Equação da transferência de calor por convecção

4.2 Cálculo do coeficiente global de transferência de calor K



4.3 Carga térmica transferida através de uma parede

4.4 Equação fundamental da transferência de calor

Símbolos e Unidades

– Carga Térmica ou calor transferido através da parede [W]

Q – Quantidade de calor [J]

– Caudal Mássico [kg/s]

– Caudal Volúmico [m3/s]

V – Volume [m3]

– Massa específica [kg/m3]

– Massa específica do ar exterior (quente) [kg/m3]

– Massa específica do ar interior (frio) [kg/m3]

1/he – Resistência térmica superficial do lado frio [m2 ºC/W]



1/hi – Resistência térmica superficial do lado quente [m2 ºC/W]

A – Área da parede [m2]

h – Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2 ºC]

he – Coeficiente de Transferência de calor por convecção do lado frio [W/m2 ºC]

hi – Coeficiente de Transferência de calor por convecção do lado quente [W/m2 ºC]

Cp –Calor especifico (calor que é necessário fornecer ou retirar a um corpo ou substância para lhe aumentar ou diminuir a temperatura em 1ºC, por unidade de massa)

[J/kg.ºC]

e – Espessura da camada de material [m]

U – Coeficiente global de transferência de calor [W/m2 ºC]

m – Massa [kg]

Te – Temperatura exterior [ºC]

Ti – Temperatura interior [ºC]

α1 – Coeficiente de Transferência de calor por convecção do lado frio [W/m2 ºC]

α2 – Coeficiente de Transferência de calor por convecção do lado frio [W/m2 ºC]

ΔT – Diferença ou Variação da temperatura (Te - Ti) ou (Ti-Te) [ºC]

Δt – Tempo necessário ou requerido para atingir as condições pretendidas [ºC]

λ – Condutibilidade térmica do material [W/m ºC]

Ti – Temperatura Interior [ºC]

Te – Temperatura Exterior [ºC]

Ta – Temperatura de um local adjacente não climatizado [ºC]

Pd – Pé-direito [m]

Rh – Número de Renovações de Ar por Hora

np – Número de pessoas

Ap – Área útil do pavimento [m2]

Atrabalho – Área útil de trabalho individual [m2]

Aambiente – Área útil de trabalho ambiente [m2]

– Caudal de ar a fornecer por pessoa [m3/h]

– Caudal de ar infiltrado por pessoa [m3/h]

– Caudal de ar infiltrado por pessoa [m3/h]

m2 – Caudal de ar a fornecer por m2 de área útil [m3/h]

Lv – Calor Latente de Vaporização da água [2,5x106] [J/kg]

Cr – Calor de Respiração [W/kg]

qs – Potência relativa ao calor sensível cedido pelas pessoas [W]

qL – Potência relativa ao calor latente cedido pelas pessoas [W]

qtrabalho – Potência de iluminação por área de trabalho individual [W/m2]

qambiente – Potência de iluminação instalada por área de trabalho [W/m2]

x – Humidade Absoluta do Ar (grama de água por quilograma de ar seco) [g/kg]

H – Horas diárias de funcionamento dos estabelecimentos comerciais [h]

k – Factor de correcção do caudal infiltrado pela abertura de portas

fs – Factor de Segurança para prevenir perdas

Notas acerca de câmaras frigoríficas

A carga diária a considerar será 10, 15% ou 20% da capacidade máxima da câmara frigorífica,

excepto se a câmara for carregada de uma só vez.



% da Capacidade Total Utilização

10 a 15% Normal

20% Despensas de cantinas ou grandes restaurantes

O volume útil de uma câmara frigorífica é de 75% do total de modo a permitir a carga e descarga

dos produtos.

Geralmente a temperatura dos pavimentos mantém-se aproximadamente constante entre 17 e

19ºC, para câmaras montadas no interior de outros espaços.

Para câmaras de frutas e legumes, em que há respiração pelo produto são utilizados sistemas para

garantir a renovação do ar 4 vezes ao dia (4 renovações/dia).

As portas geralmente utilizadas em câmaras frigoríficas são pivotantes com 0,9 x 1,90 m;

A utilização de resistências para realizar a descongelação do evaporador em câmaras frigoríficas

avalia-se da seguinte forma:

Necessidade de Resistências de Descongelação [Error: Reference source not found]

Temperatura Resistências Descongelação Observações

> 2 ºC Não A descongelação realiza-se por paragem ou inversão

de ciclo;

< 2 ºC Sim 4 descongelações diárias de 15 minutos reguladas por

temporizador

Os sistemas de ventilação das casas das máquinas devem ter os caudais iguais ao somatório dos

caudais dos condensadores.

As salas de máquinas devem ser insonorizadas com materiais de atenuação acústica.

É recomendada a utilização de válvulas equilibradoras de pressão com resistência para câmaras de

congelação de modo a compensar as diferenças de pressão entre o interior e o exterior.

Deve existir um machado de bombeiro no interior das câmaras frigoríficas que funcionam com

temperaturas negativas ou que tenham atmosfera artificial.

As câmaras que trabalham com temperaturas negativas devem ser equipadas com resistências de

porta.

Nas câmaras de armazenamento os produtos são, geralmente, introduzidos já arrefecidos atá á

temperatura de armazenamento.

Como muitos dos materiais utilizados como isolamento são permeáveis ao vapor de água,

geralmente instala-se uma barreira de vapor, perfeitamente vedada, do lado quente do material do



isolamento, de modo a evitar que a pressão mais alta do vapor no lado quente o faça dirigir-se

através do isolamento para o lado frio da parede, onde a pressão é mais baixa.

Tipo de Utilização das Câmaras Frigoríficas

Utilização Média – instalações não sujeitas a temperaturas extremas e quando a quantidade

de alimentos gerada na câmara não é anormal. Exemplos: Bares,

pastelarias.

Utilização Pesada – instalações de mercados movimentados, cozinhas de hotéis e restaurantes,

onde as temperaturas das câmaras são próprias para serem elevadas

quando os períodos de grande movimento criam grandes cargas de

arrefecimento e quando são colocados alimentos quentes no seu interior.

Espessuras de isolamentos para paredes de câmaras [Error: Reference source not found]

Espessura

(mm)Gama de Temperaturas Observação

60 + 8 a + 1 ºC Arrefecimento/Conservação

85 Até +18 a - 25 ºC

Arrefecimento/Conservação para locais quentes;

Congelação

105 Até - 18 a - 25 ºC Congelação em locais quentes

150 Até - 40 ºC Congelação e ultracongelação

Espessuras de isolamentos para paredes de câmaras [Error: Reference source not found]

Espessura

(mm)Gama de Temperaturas U (W/m2ºC)

40 Até + 20 ºC 0,55

70 Até +5 ºC 0,31

100 Até - 20 ºC 0,22

155 Até - 40 ºC 0,14

200 Até - 40 ºC 0,11



Bibliografia


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