notas de aula refrigeracao

7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao

1/159

Notas de aula

REFRIGERAO E ARCONDICIONADO

Prof. Humberto A. Machado

Departamento de Mecnica e Energia DME

Faculdade de Tecnologia FAT

UERJ Resende

Maro de 2009

(3a Edio revisada)


2/159

1

NOTA DO AUTOR

Estas notas so um resumo para acompanhamento das aulas. Foram criadasespecificamente para a disciplina de Refrigerao do Curso de Engenharia deProduo/nfase Mecnica da FAT/UERJ.

A 1a

edio foi disponibilizada em maro de 2005. A 2a

edio (maro de 2007) incluialgumas passagens novas, maior detalhamento em outras e reviso na soluo dosexerccios. A 3a edio, alm das modificaes anteriores, inclui um exerccio prtico declculo da carga trmica e dimensionamento de sistema de ar-condicionado. Paraacompanhamento do curso, tenha sempre em uso a edio mais recente.

Em nenhum momento esta apostila pretende substituir os livros textos consagrados sobreo tema. Tambm no deve ser considerada roteiro para provas e exames nem dispensaa presena e a ateno ao contedo dado em sala. Sua funo unicamente fornecerum roteiro coerente com a seqncia didtica adotada.

Para os alunos que desejem se aprofundar no tema, sugere-se consultar a bibliografiaselecionada.

Resende, maro de 2009.

Prof. Humberto A. MachadoDepartamento de Mecnica e Energia DME

Faculdade de Tecnologia FATUniversidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ


3/159

2

NDICE

1. INTRODUO ................................................................................................................4

1.1. HISTRICO ..................................................................................................................41.2. APLICAES DA REFRIGERAO ...................................................................................4

1.3. O EFEITO DE REFRIGERAO ........................................................................................51.4. NOES DE CONFORTO TRMICO ..................................................................................51.5. SISTEMAS DE UNIDADES ...............................................................................................7

2. PSICROMETRIA .............................................................................................................8

2.1. INTRODUO ...............................................................................................................82.2. CARTA PSICROMTRICA................................................................................................82.3. UMIDADE RELATIVA ....................................................................................................102.4. UMIDADE ABSOLUTA...................................................................................................102.5. ENTALPIA ..................................................................................................................112.6. VOLUME ESPECFICO..................................................................................................12

2.7. TRANSFERNCIA SIMULTNEA DE CALOR E MASSA ........................................................122.8. CALOR SENSVEL X CALOR LATENTE............................................................................132.9. SATURAO ADIABTICA E TEMPERATURA DE BULBO MIDO TERMODINMICA .................142.10. TERMMETRO DE BULBO MIDO ................................................................................152.11. PROCESSOS PSICROMTRICOS .................................................................................152.12. EXERCCIOS ............................................................................................................17

3. ANLISE DO CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR ................................................31

3.1. SISTEMAS DE REFRIGERAO .....................................................................................313.2. O CICLO DE COMPRESSO A VAPOR.............................................................................323.3. MODIFICAES NO CICLO DE CARNOT .........................................................................36

3.3.1. Compresso mida e seca ...............................................................................363.3.2. Processo de expanso .....................................................................................37

3.4. CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR ...................................................................373.5. PROPRIEDADES DOS REFRIGERANTES .........................................................................383.6. DESEMPENHO DO CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR .........................................393.7. TROCADORES DE CALOR ............................................................................................403.8. O CICLO REAL DE COMPRESSO A VAPOR ....................................................................413.9. EXERCCIOS ..............................................................................................................42

4. CLIMATIZAO ...........................................................................................................48

4.1. INTRODUO .............................................................................................................48

4.2. CLCULO DA CAPACIDADE DE REFRIGERAO EM UM SISTEMA DE ZONA SIMPLES ............484.3. CLASSIFICAO DOS SISTEMAS DE CLIMATIZAO.........................................................494.4. SISTEMAS DE REFRIGERAO DE ZONA SIMPLES ...........................................................50

4.4.1. Condicionadores de ar de janela ......................................................................504.4.2. Sistemas tipo Self-contained ............................................................................504.4.3. Sistemas tipo splits...........................................................................................514.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller .............................................................................52

5. COMPONENTES DO SISTEMA ...................................................................................54

5.1. COMPRESSORES .......................................................................................................545.1.1. Compressores alternativos ...............................................................................555.1.2. Compressor rotativo .........................................................................................575.1.3. Compressores de parafuso ..............................................................................585.1.4. Compressores centrfugos................................................................................59


4/159

3

5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol).......................................................................605.2. EVAPORADORES ........................................................................................................615.3. CONDENSADORES .....................................................................................................655.4. TORRES DE RESFRIAMENTO E CONDENSADORES EVAPORATIVOS ..................................685.5. DISPOSITIVOS DE EXPANSO.......................................................................................705.6. LINHAS DE FLUIDO REFRIGERANTE...............................................................................74

5.7. ACESSRIOS .............................................................................................................746. NOES DE PROJETO DE CLIMATIZAO.............................................................76

6.1. PRINCPIOS ...............................................................................................................766.2. CONDIES DE PROJETO............................................................................................776.3. ESTIMATIVA DA CARGA TRMICA ..................................................................................79

6.3.1. Parcelas da carga trmica ................................................................................806.3.2. Determinao da vazo total de insuflamento..................................................926.3.3. Armazenagem ..................................................................................................936.3.4. Zoneamento......................................................................................................946.3.5. Aquecimento.....................................................................................................95

6.3.6. Sombreamento .................................................................................................956.4. EXEMPLO ..................................................................................................................97

7. VENTILAO .............................................................................................................103

7.1. DIMENSIONAMENTO DA REDE DE DUTOS.....................................................................1037.1.1. Arbitragem de velocidades .............................................................................1037.1.2. Mtodo de igual atrito .....................................................................................1057.1.3. Mtodo da recuperao de presso ...............................................................107

7.2. ESTIMATIVA DA PERDA DE CARGA ..............................................................................1117.3. DISTRIBUIO DO AR ................................................................................................1187.4. VENTILADORES........................................................................................................124

7.4.1. Ventiladores centrfugos e suas caractersticas .............................................1247.4.2. Leis dos Ventiladores .....................................................................................127

7.5. EXEMPLO ................................................................................................................129

8. REFRIGERANTES......................................................................................................133

8.1. FLUIDOS PRIMRIOS E SECUNDRIOS.........................................................................1338.2. TIPOS DE REFRIGERANTES PRIMRIOS .......................................................................133

BIBLIOGRAFIA...............................................................................................................135

ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES ...................136


5/159

4

1. INTRODUO

1.1. Histrico

Na antiguidade, a refrigerao j era utilizada no preparo de alimentos. Gregos eromanos usavam escravos para extrair a neve do topo de montanhas e armazena-

la em buracos na terra, onde era posteriormente empregada no preparo dealimentos gelados.

Em 1626, Francis Bacon verificou que as baixas temperaturas permitiam conservaralimentos, enterrando galinhas na neve. Com a inveno do microscpio, em 1683,foi possvel entender o mecanismo de deteriorao dos alimentos. As temperaturasabaixo de 10 C colocavam os microorganismos responsveis pela decomposioem estado de hibernao. Tal fato estimulou o comrcio de gelo natural, que eradistribudo atravs de longas distncias, em navios e carroas isoladas comserragem, e armazenado nas residncias em armrios isolados chamadosgeladeiras. O processo de congelamento substituiu em grande parte o salgamento

e a defumao.

Devido crescente demanda por gelo, e a dificuldade de sua distribuio, buscou-se uma alternativa para a produo de gelo artificial. Em 1755, Willian Cullenutilizou a evaporao de ter para congelar uma pequena poro de gua,baixando a presso para acelerar o processo. O sistema tinha a desvantagem denecessitar de reposio constante do ter. O problema foi resolvido cirando-se umcircuito fechado onde o ter vaporizado era comprimido para se condensarnovamente. Em 1834, Jacob Perkins patenteou o primeiro equipamento paraproduo de gelo. O primeiro sistema real de refrigerao foi construdo peloescocs James Harrison entre 1856 e 1857.

Os progressos foram se sucedendo: o uso da amnia foi substitudo pelos CFCs, eo primeiro refrigerador domstico foi construdo nos anos de 1920. O primeiro Arcondicionado foi criado por Joseph McCreaty em 1897. Willis H. Carrier foi oprimeiro a conseguir o controle da temperatura e umidade em um ambiente, em1906.

Depois da 2 Guerra Mundial, os equipamentos de refrigerao e condicionamentode ar se popularizaram. Atualmente, os principais campos de desenvolvimento dossistemas de refrigerao envolvem aspectos energticos (otimizao do uso de

energia) e ambientais (substituio dos CFCs por fluidos no danosos camada deoznio). Tem havido um aumento intensivo no emprego da eletrnica nos sistemasde controle desses equipamentos.

1.2. Aplicaes da refrigerao

- Ar condicionado em edificaes de porte mdio e grande: prdios comerciais eresidenciais.

- Climatizao de ambientes industriais: aquecimento e resfriamento localizado,

laboratrios ambientais, grficas, txteis, processos de alta preciso, salas limpas,produtos fotogrficos, equipamentos eletrnicos, etc.


6/159

5

- Ar condicionado residencial e veicular.

- Armazenamento e distribuio de alimentos: por imerso, jato de ar, leito fluidilizadoou criogenia.

- Processamento de alimentos.

- Indstrias qumicas e de processos.

- Produo de gases industriais.

- Aplicaes especficas: bebedouros, desumidificadores, produo de gelo, etc.

Figura 1.1. Vista em corte de um refrigerador domstico.

1.3. O efeito de refrigerao

A refrigerao consiste basicamente em retirar calor de um corpo e rejeita-lo para omeio ou outro corpo a uma temperatura maior. A 2 Lei da Termodinmica estabeleceque o calor s flui espontaneamente no sentido da menor temperatura. Assim, preciso adicionar trabalho, atravs de um processo qualquer, para a remoo do calor.Esse o princpio de todos os equipamentos de refrigerao.

O corpo humano emprega o processo de evaporao para eliminar o excesso de calore controlar sua temperatura. Sabe-se que a evaporao da gua absorve muito mais

calor do que o aquecimento da mesma quantidade de gua de 0

o

C a 100 C. Assim, ocorpo elimina gua na forma transpirao, que retira o calor ao evaporar-se. Veremosque o mesmo efeito empregado nos sistemas de refrigerao.

1.4. Noes de conforto trmico

Segundo a ASHRAE (1997), conforto trmico um estado de esprito que reflete asatisfao com o ambiente trmico que envolve uma pessoa.

Segundo essa definio, o conforto trmico de um indivduo subjetivo. Num sistema

de condicionamento de ar, deseja-se atender ao maior nmero de indivduos possvel.


7/159

6

A sensao de conforto depende da facilidade com que o indivduo estabelece obalano trmico com o meio, para manter sua temperatura interna corporal em 37o C.

Existem limites para a temperatura externa (da pele) e suor eliminado (mximo de 1litro por hora).

Fatores de conforto trmico:

- Individuais: atividade, vesturio.

- Ambientais: temperatura do ar, temperatura mdia radiante, velocidade do ar,umidade relativa.

A transferncia de calor pelo corpo se d de quatro formas distintas:

Figura 1.2. Trocas trmicas entre o homem e o meio.

- Conduo: usualmente desprezada.- Evaporao: pela exalao de vapor dgua, por perspirao insensvel e pelo

suor.- Conveco- Radiao

A avaliao dos ambientes feita atravs de ndices trmicos. Um dos primeiros foi atemperatura efetiva (TE). Foram estabelecidos ndices diretos, cujo principal foi

adotado pela legislao brasileira sobre higiene e segurana do trabalho (NR 15), e o ndice de bulbo mido temperatura de globo, IBUTG. Na literatura internacional chamado WBGT(wet bulb globe temperature). A norma internacional para avaliaode ambientes temperaturas moderadas a ISO 7730.


8/159

7

1.5. Sistemas de unidades

So basicamente dois os sistemas de unidades usados atualmente: o sistema mtricoe o sistema ingls (ainda empregado nos Estados Unidos). Dentro do sistema mtrico,o mais difundido o sistema formado por grandezas fundamentais conhecido comoSistema Internacional de Unidades (SI). Nas tabelas abaixo, so sumarizadas algumas

das unidades desses sistemas, que estaro presentes neste texto, e os fatores deconverso.

Tabela 1.1. Unidades derivadas do SI para algumas grandezas.

Tabela 1.2. Fatores de converso teis.


9/159

8

2. PSICROMETRIA

2.1. Introduo

o estudo das misturas ar-vapor.

Em condicionamento de ar, considera-se o ar uma mistura de ar seco e vapordgua, cuja quantidade pode variar de acordo com o processo, e que serdenominada de ar mido.

2.2. Carta psicromtrica

So cartas que relacionam as diversas propriedades do ar mido.

A linhas de saturao corresponde ao lugar geomtrico dos pontos em queocorre condensao da gua no ar.

A interao entre as molculas do ar e de gua considerada desprezvel parafins de clculo psicromtrico.

Quando o ar se encontra sobre a linha de saturao, chamado ar saturado.Nesse caso, qualquer reduo da temperatura causar condensao da guanele contida.

Na figura 2.1, se o ar se encontra inicialmente no ponto A, necessrio que suatemperatura se reduza at B para o incio da condensao. Nesse caso, TB chamadoponto de orvalho.

Figura 2.1. A linha de saturao.


10/159

9

Figura 2.2. A carta psicromtrica.


11/159

10

2.3. Umidade relativa

a razo entre a frao molar do vapor de gua no ar mido e a frao molar dovapor de gua no ar saturado mesma temperatura. Para gases perfeitos:

Figura 2.3. Linha de umidade relativa.

2.4. Umidade absoluta

a massa de gua contida em 1 kg de ar seco. Para gases ideais:

Para ar mido:


12/159

11

Figura 2.4. Umidade absoluta como ordenada.

2.5. Entalpia

a soma das entalpias do ar seco mais vapor de gua. A entalpia do ar seco calculada a partir de um estado de referncia (0o C) em que tem valor zero. O calorespecfico presso constante do ar seco aproximando para 1 kJ/kg.oC.

A entalpia do vapor foi considerada na condio de saturao, embora provavelmenteo vapor estaja superaquecido devido baixa presso. A figura 2.5 mostra que essaaproximao no acarreta grandes erros.

Figura 2.5. Diagrama de Mollier variao da entalpia do vapor dgua ao longo deuma isoterma.


13/159

12

Figura 2.6. Linha isoentlpica.

2.6. Volume especfico

O volume especfico da mistura definido em funo do volume especfico do ar seco,uma vez que ar e vapor ocupam o mesmo volume simultaneamente. Para gs perfeito,

temos:

Figura 2.7. Linha de volume especfico constante.

2.7. Transferncia simultnea de calor e massa

Lei da linha reta: quando o ar transfere calor e massa (vapor dgua), o faz atravsde uma linha reta que tende para a temperatura da superfcie mida sobre a linha desaturao:

Figura 2.8. Ar escoando sobre uma superfcie mida com transferncia de calor emassa.


14/159

13

Figura 2.9. Lei da linha reta.

Tal comportamento se deve ao fato do nmero de Lewis da gua seraproximadamente igual a 1.

2.8. Calor sensvel x Calor Latente

Quando ocorre transferncia simultnea de calor e massa de ou para o ar mido, ocalor trocado pode ser dividido em duas parcelas:

Calor sensvel: associado variao de temperatura.

Calor latente: associado mudana de fase, ou seja, variao do teor de umidadedo ar mido.

Para um processo de troca de calor sofrido por uma determinada massa de ar mido,a quantidade de calor trocada ser dada pela variao de entalpia do ar:

12 hhq =

Aplicando a equao para o clculo da entalpia do ar mido, obtm-se

) )1gp2gp

WhT.cWhT.cq ++=

Reagrupando os termos, tem-se:

( )1g12g212p

hWhWTTcq ++=

que pode ser reescrita como:

LS qqq +=

onde:

( )12pS TTcq = (parcela de calor sensvel)

1g12g2LhWhWq += (parcela de calor latente)

Podemos definir o Fator de Calor Sensvel (FCS) como:

FCS = qS/ q


15/159

14

O FCS corresponde inclinao da linha que representa a troca de calor na cartapsicromtrica.

2.9. Saturao adiabtica e temperatura de bulbo mido termodinmica

O processo mostrado a seguir realizado num saturador adiabtico:- As paredes do saturador so isoladas termicamente.- A gua dispersa na maior rea possvel.- A gua do reservatrio reposta e mantida temperatura constante,

igual do reservatrio.- Dentro destas condies, a gua entra em equilbrio termodinmico com

o ar.Uma vez atingido o regime permanente, a temperatura da gua chamadatemperatura de bulbo mido termodinmica ou temperatura de saturaoadiabtica.

O balano trmico proporciona:

Figura 2.10. Saturao adiabtica.

Figura 2.11. Saturao adiabtica na carta psicromtrica.


16/159

15

2.10. Termmetro de bulbo mido

Obtm uma medida muito prxima da temperatura de saturao adiabtica, que podeser usada para a caracterizao de uma mistura ar-gua, uma vez que de fcilobteno.

Figura 2.12. Processo de medio da temperatura de bulbo mido.

2.11. Processos psicromtricos

1. Resfriamento e aquecimento sensveis (com variao de temperatura):

Figura 2.13. Aquecimento ou resfriamento sensvel.

2. Umidificao:

Figura 2.14. Processos de umidificao.


17/159

16

3. Resfriamento e desumidificao: so realizados pela serpentina de resfriamento,e consistem na reduo da temperatura e da umidade do ar.

Figura 2.15. Resfriamento e desumidificao.

4. Desumidificao qumica: o vapor dgua absorvido por uma substnciahigorscpica.

Figura 2.16. Desumidificao qumica.

5. Mistura de duas correntes de ar: pela conservao da energia, temos,

Pela conservao da massa, obtm-se:

Figura 2.17. Mistura de correntes de ar.


18/159

17

2.12. Exerccios

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

-do na sada do desumi


19/159

18

observao: neste exerccio,Pa significa presso parcial do vapor dgua, e no presso do ar. Ou

seja, a nomenclatura correta seriaPv.

Soluo do exerccio 1


20/159

19

Soluo do exerccio 2


21/159

20


22/159

21

Soluo do exerccio 3


23/159

22

Soluo do exerccio 4


24/159

23

m3/Kg


25/159

24

Soluo do exerccio 5


26/159

25

Soluo do exerccio 6


27/159

26


28/159

27


29/159

28

Soluo do exerccio 7

7,47 kPa


30/159

29

Soluo do exerccio 8


31/159

30


32/159

31

3. ANLISE DO CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR

3.1. Sistemas de refrigerao

Sistema de Compresso de vapor: o mais empregado. O ciclo de operaesrealizadas mostrado na tabela abaixo.

Figura 3.1. Ciclo de compresso de vapor.

Sistema de refrigerao por absoro: o mais comum utiliza amnia (NH3) comofluido refrigerante e gua como absorvente. Tem a vantagem de utilizar energiatrmica quando a eletricidade no est disponvel ou tem custo elevado. No tempeas mveis, por isso silencioso e sem vibraes.

Figura 3.2. Sistema de refrigerao por absoro tpico.

Refrigerao termeltrica: funcionam a partir dos efeitos Seebeck/Peltier, em queuma corrente eltrica induzida por ou pode induzir uma diferena de temperaturaentre dois extremos de um condutor. o princpio usado nos termopares.


33/159

32

3.2. O ciclo de compresso a vapor

O ciclo motor de Carnot o ciclo mais eficiente que pode ser concebido para operarentre uma certa diferena de temperaturas, em virtude de ser constitudo apenas deprocessos reversveis.

Figura 3.3. Motor trmico de Carnot.

O ciclo de refrigerao de Carnot opera no sentido inverso. A finalidade do ciclo aextrao de calor da fonte de baixa temperatura para um reservatrio de altatemperatura. Os processos que ocorrem no ciclo so:

1-2: compresso adiabtica2-3: rejeio isotrmica do calor3-4: expanso adiabtica

4-5: absoro isotrmica do calor

Figura 3.4. ciclo de refrigerao de Carnot.

O desempenho de um ciclo de refrigerao medido pelo coeficiente de eficcia(CE):

CE = ___refrigerao til___trabalho lquido

O fluido de trabalho em um sistema de refrigerao chamado refrigerante.


34/159

33

Figura 3.5. reas relativas ao ciclo de refrigerao de Carnot.

3.5


35/159

34

onde:

U coeficiente global de transferncia de calor (W/m2.K)

A rea de troca (m2)

t diferena de temperatura (K)

Figura 3.6. Exigncias de temperatura impostas sobre um ciclo frigorfico.

3.6


36/159

35

Figura 3.7. Ciclo de refrigerao de Carnot a gs.

3.7

3.8


37/159

36

3.3. Modificaes no ciclo de Carnot

3.3.1. Compresso mida e seca

Figura 3.8. Ciclo de refrigerao de Carnot para compresso mida.

Figura 3.9. Ciclo de refrigerao de Carnot para compresso seca.

3.9

3.8


38/159

37

3.3.2. Processo de expanso

3.4. Ciclo padro de compresso a vapor

Figura 3.10. Ciclo padro de compresso vapor.

3.10


39/159

38

3.5. Propriedades dos refrigerantes

Figura 3.11. Diagrama presso-entalpia de um refrigerante.

3.11


40/159

39

3.6. Desempenho do ciclo padro de compresso a vapor

A figura a seguir mostra o aspecto do ciclo padro de compresso a vapor numdiagrama presso entalpia.

Atravs deste diagrama, pode-se determinar os parmetros importantes do ciclo:

- Trabalho de compresso:

w = h1 h2

- Taxa de rejeio de calor:

qrejeitado = h3 h2

- Efeito de refrigerao:

qabsorvido = h1 h4.

- vazo em volume de refrigerante por kW de refrigerao

- potncia por kW de refrigerao:

w.mW && =

- capacidade de refrigerao:

absorvidoR q.mQ && =

obs: as variaes de energia cintica e potencial so desprezadas.

Figura 3.12. Diagrama presso-entalpia e esquema do ciclo padro de compresso avapor.


41/159

40

3.7. Trocadores de calor

Alguns sistemas frigorficos utilizam trocadores de calor que resfriam o lquido sadodo condensador com o vapor que se dirige para o compressor, vindo do evaporador.

Figura 3.13. Sistema frigorfico com trocador de calor para sub-resfriamento dolquido.

Figura 3.14. Trocador de calor entre o gs de aspirao e o lquido sem a carcaa.

3.14


42/159

41

3.8. O ciclo real de compresso a vapor

Figura 3.15. Ciclo de compresso real comparado ao padro.

3.15


43/159

42

3.9. Exerccios

1.

2.

3.

4.

5.

6.


44/159

43

Ex. 1.

Ex. 2.


45/159

44

Ex. 3.


46/159

45

Ex. 4.


47/159

46

Ex. 5.


48/159

47

Ex. 6.


49/159

48

4. CLIMATIZAO

4.1. Introduo

Climatizar ambientes significa tratar simultaneamente a temperatura, umidade, purezae movimentao do ar em recintos fechados, no sentido de obter conforto trmico.

Os sistemas de climatizao de zona simples atendem a apenas um recinto. Os dezona mltipla atendem vrios recintos simultaneamente, e exigem um projeto maisacurado.

Um sistema de climatizao envolve o emprego de unidades de refrigerao, filtragem,circulao do ar, controle, etc. Na figura abaixo, mostrado o esquema de um sistemade zona simples. A taxa de renovao do ar interno controlada pela tomada de arexterno, e o ar retorno misturado com ar de renovao, para ento passar pelosprocessos de resfriamento, aquecimento ou desumidificao.

Figura 4.1. Sistema de climatizao de zona simples.

4.2. Clculo da capacidade de refrigerao em um sistema de zona simples

Considere o sistema de refrigerao mostrado na figura 4.1. A carga trmica ( TQ& ) a

taxa com o calor gerado ou absorvido pelo ambiente interno, e seu clculo ser vistono item 6.3. Para que o recinto (ambiente climatizado) mantenha sua temperatura

constante, a taxa de absoro de calor deve ser a mesma que a de rejeio.A entalpia em 2 obtida a partir do estado do ar no recinto (dados do projeto). O ponto1 o estado do ar no ambiente externo, o que tambm definido como condio deprojeto (depende da localizao da edificao).

A vazo de ar total m& obtida a partir do dados de projeto (item 6.3), assim como asfraes 1m& (ar de renovao) e 2m& (ar de retorno):

mmm 21 &&& =+

Para o clculo da entalpia em 4, aplicamos a 1a Lei da Termodinmica para umvolume de controle, considerando regime permanente e variaes desprezveis develocidade e altura do ar. Assim, temos no recinto:


50/159

49

( )42T hhmQ = &&

m

Qhh T24

&

&

=

No clculo da carga trmica, so estimadas as parcelas de calor sensvel e latente(item 6.3), permitindo determinar o FCS. Aplicando as definies de calor sensvel elatente, possvel determinar a temperatura e umidade absoluta no ponto 4:

T

SS

42

42

Q

q.m

q

q

hh

TTFCS

&

&==

=

m

Q.FCSTqTT T2S24

&

&

==

m

Q.FCS1q TL

&

&

=

( )[ ]( )4v

L22v4Th

1qW.ThW =

Com as fraes de vazo mssica e as entalpias em 1 e 2 conhecidas, possveldeterminar a entalpia em 3, a partir de uma mdia ponderada:

mhmhmh 22113

&&&

+=

Aplicando a 1a Lei serpentina de resfriamento, temos:

)hh(mQ 34R = &&

Note que, por uma questo de coerncia fsica, o resultado dever ser negativo, umavez que a Capacidade de refrigerao a taxa com que o calor rejeitado.

4.3. Classificao dos sistemas de climatizao

- Quanto utilizao: residencial, comercial, hospitalar, industrial ou automotivo.- Quanto capacidade: grande, mdio ou pequeno porte.- Quanto ao sistema de expanso: direta e indireta.

Sistema de expanso direta: o ar a ser climatizado entra em contato direto comoevaporador.

Sistema de expanso indireta: um fluido intermedirio, geralmente gua gelada,

utilizado para resfriar o ar.


51/159

50

4.4. Sistemas de refrigerao de zona simples

4.4.1. Condicionadores de ar de janela

Geralmente so instalados em paredes ou janelas em uma altura de 1,60 m. Acapacidade de resfriamento varia de 0,5 a 3,0 TR (tonelada de refrigerao). So

basicamente para emprego em residncias ou escritrios. Jamis devem ser instaladosna parte inferior das paredes.

Figura 4.2. Condicionador de janela.

4.4.2. Sistemas tipo Self-contained

So sistemas flexveis, de maior capacidade, para usos domsticos ou comerciais.Podem ser instalados diretamente no recinto a ser climatizado ou em casas demquina, contendo dutos de insuflamento.

Figura 4.3. Condicionador tipo self-contained com rede de dutos.

Podem ser fornecidos com condensao a ar ou a gua. O tipo com condensao a aracoplado utiliza um ventilador centrfugo para movimentar o ar entre as aletas docondensador e para retirar o calor do fluido refrigerante.

No sistema com condensao a ar remoto a unidade evaporadora instalada nasproximidades ou no prprio local a ser condicionado, e a unidade condensadora instalada externamente ao ambiente. As duas unidades so ligadas por uma tubulaode cobre isolada termicamente.


52/159

51

Figura 4.4. Sistema com condensao a ar remoto.

O sistema com condensao a gua emprega uma torre de resfriamento de gua paraseu funcionamento. A gua aquecida que sai do condensador bombeada at a torre,sendo resfriada pelo ar atmosfrico.

Figura 4.5. Sistema com condensao a gua.

4.4.3. Sistemas tipo splits

Esses sistemas so adaptveis ao ambiente, pois podem ser embutidos, e funcionamcom baixo nvel de rudo. O compressor fica na parte externa, junto ao condensador

Figura 4.6. Instalao de um sistema split.


53/159

52

O evaporador e ligado aos sistemas de compresso e condensao por tubos decobre. Assim, um condensador pode atender a vrios evaporadores.

Figura 4.7. Bancada didtica de um condicionador tipo split.

4.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller

um sistema de expanso indireta com condensao a ar ou gua. O ambiente a serclimatizado troca calor com uma serpentina equipada com ventilador. Na serpentinacircula gua fira, proveniente do chiller. A gua entra a uma temperatura da ordem de7o C e sai por volta de 12o C. O calor absorvido pela gua eliminado no evaporador

do chiller. O fluido refrigerante do chiller condensado atravs de gua proveniente deuma torre de resfriamento.

Figura 4.8. Esquema de um sistema fan coil/chiller.


54/159

53

Figura 4.9. Unidade resfriadora - chiller.


55/159

54

5. COMPONENTES DO SISTEMA

Os componentes bsicos de circuito de compresso vapor so mostrados na figura aseguir:

Figura 5.1. Circuito de refrigerao.

5.1. Compressores

Funo: aumentar a presso do fluido.

Compressores volumtricos ou de deslocamento positivo: o aumento depresso se d de forma parcialmente esttica, atravs da reduo do volumeocupado pelo vapor. So os mais empregados em refrigerao.

Turbo - Compressores: o gs acelerado aps a passagem pelas palhetas.

Hermticos: motor e compressor esto isolados na mesma carcaa, semacesso. o tipo comumente empregado em condicionadores de ar domsticos.

Semi hermticos: motor e compressor esto na mesma carcaa, porm existeacesso.

Aberto: motor e compressor esto separados.

Pode existir mais de um estgio de compresso.

Os compressores podem ser refrigerados gua ou a ar.


56/159

55

5.1.1. Compressores alternativos

Figura 5.2. Compressor alternativo.

Figura 5.3. Funcionamento de um Compressor alternativo.


57/159

56

Figura 5.5. Compressor hermtico.

.

Figura 5.4. Representao dos estgios de compresso.


58/159

57

Figura 5.6. Compressor alternativo de amnia com 16 cilindros.

Figura 5.7. Compressor semi-hermtico.

5.1.2. Compressor rotativo

Pode ser de palhetas simples ou mltiplas.

Apresentam menor vibrao: ao empregados em aparelhos de janela comcapacidade superior a 12.000 BTU/h (aproximadamente 3,5 kW).


59/159

58

Figura 5.8. Compresso por pisto rolante.

Figura 5.9. Compressor rotativo (de palhetas) em corte.

5.1.3. Compressores de parafuso

Menos peas sujeitas a desgaste.

Maior razo de compresso.

Estabilidade quanto aspirao de lquido.

Figura 5.10. Compressor do tipo parafuso.


60/159

59

Figura 5.11. Corte transversal dos rotores.

Figura 5.12. Vista explodida dos principais componentes de um compressor parafuso.

Figura 5.13. Um sistema compacto de resfriamento de gua com compressorparafuso.

5.1.4. Compressores centrfugos

Usado em sistemas de grande capacidade.

Menor peso, mais compacto, menor vibrao.

O desgaste s ocorre nos mancais principais.


61/159

60

Figura 5.14. Compressor centrfugo.

Figura 5.15. Sistema com compressor centrfugo.

5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol)

Ausncia de vlvulas de suco e descarga.

Baixo rudo e vibrao

So compactos, leves e de alta eficincia.

Tem origem recente, e vem ganhado espao na rea de refrigerao.


62/159

61

Figura 5.16. Funcionamento de um compressor caracol.

5.2. Evaporadores

Retiram calor do meio a ser refrigerado.

Expanso direta: o calor retirado pelo fluido refrigerante.

Expanso indireta: empregam serpentinas de gua gelada. Permitem acentralizao da produo de frio na casa de mquinas.

Os tubos podem ser lisos ou possuir aletas externas ou internas.

Figura 5.17. Evaporadores aletados para resfriamento e desumidificao.


63/159

62

Figura 5.18. Evaporador do tipo tubo e carcaa.

Figura 5.19. Evaporador seco controlado por vlvula de expanso.


64/159

63

Figura 5.20. Evaporador tipo inundado.


65/159

64

Figura 5.22. Variao das temperaturas no evaporador.

Figura 5.23. Serpentina de resfriamento.

Figura 5.21. Processo de trocas trmicas no evaporador.


66/159

65

Figura 5.24. Um resfriador de lquido na qual o refrigerante se evapora dentro detubos aletados.

5.3. Condensadores

Figura 5.25. Condensador tipo duplo tubo.


67/159

66

Figura 5.26. Condensador de casco e serpentina.


68/159

67

Figura 5.27. Condensador resfriado gua do tipo multitubular em carcaa.

Figura 5.28. Condensador resfriado a ar.

Na tabela a seguir so listados alguns tipos de evaporadores e condensadores:


69/159

68

5.4. Torres de Resfriamento e Condensadores Evaporativos

Figura 5.29. Torre de resfriamento tpica.

Figura 5.30. Instalao de Torre de resfriamento.


70/159

69

Figura 5.31. Esquema de enchimento do interior das torres de resfriamento.

Condensadores evaporativos: composio de condensador e torre deresfriamento em uma s pea.

5.31


71/159

70

Figura 5.32. Esquema de um condensador evaporativo.

Figura 5.33. Seo das serpentinas de um condensador evaporativo.

5.5. Dispositivos de expanso

Controlam a quantidade de lquido no evaporador.

Evitam que o vapor seja aspirado pelo compressor em temperatura excessiva.

Impedem que o lquido seja aspirado pelo compressor.

Tubo capilar: o dispositivo mais simples. O fluido perde presso devido ao atritocom as paredes do tubo, que podem chegar aos 0,6 mm de dimetro. O comprimentodo tubo depende do tipo de fluido e da razo de compresso do sistema. Necessita deum torque menor durante a partida do compressor.

Vlvula de expanso direta: tambm camada de vlvula de expanso pressostticaou automtica. O elemento de comando pode ser uma membrana ou diafragma, oufole de fechamento hermtico.


72/159

71

Figura 5.34. Vlvula de expanso termosttica.

O funcionamento depende da diferena de presses na linha do evaporador eno ambiente.

Vlvula de expanso termosttica: difere da anterior por possuir um bulbotrmico. mais empregada em instalaes comerciais e industriais.

usada para regular o fluxo de refrigerante, garantindo a evaporao completana serpentina e mantendo um superaquecimento constante do vapor na sadada serpentina.

O movimento do diafragma para baixo afasta a agulha. O contrrio estrangula

a passagem de lquido. Com a temperatura, sobe a presso do bulbo (P b). Areduo da presso no evaporador (Pev) faz o diafragma desce, facilitando apassagem do lquido.

Na figura abaixo, o ponto A a abertura original. Com o aumento da cargatrmica, a abertura passa para o ponto B. Com a diminuio, para o ponto C.

Figura 5.35. Regulagem automtica da vlvula de expanso termosttica.


73/159

72

Vlvulas de expanso direta com equalizao interna de presso: so indicadasquando a queda de presso ao longo do evaporador insignificante.

Figura 5.36. Funcionamento de uma vlvula com equalizao interna de presso.

Vlvulas de expanso termosttica com equalizao externa de presso: quando aqueda de presso por atrito no evaporador elevada. O que implica uma temperaturade saturao mais baixa na sada que na entrada. Nesse caso, para manter acondio de equilbrio, preciso um maior grau de superaquecimento, o que reduz area efetiva de resfriamento do evaporador, comprometendo a eficincia trmica.

Na figura a seguir, mostrado um sistema com perda de carga no evaporador de 62kPa. A tabela indica o comportamento do sistema de acordo com abertura oufechamento da vlvula, e adio ou retirada de refrigerante.

Figura 5.37. Funcionamento de uma vlvula com equalizao externa de presso.


74/159

73

Exemplo de aplicao: considere R 12 circulando no sistema ilustrado na figura aseguir. Suponha que a presso do fluido refrigerante no ponto 2 seja 868 kPa. Oevaporador oferece uma perda de presso de 50 kPa. A vlvula provoca uma perdade presso de 600 kPa. A presso imposta pela mola de 60 kPa.

a) qual o grau de superaquecimento na sada do evaporador quando se utiliza uma

vlvula de expanso termosttica com equalizador interno de presso?b) qual o grau de superaquecimento na sada do evaporador quando se utiliza umavlvula de expanso termosttica com equalizador externo de presso?


75/159

74

5.6. Linhas de fluido refrigerante

Proporcionam o trfego de fluido refrigerante entre os componentes.

Devem ter baixa perda de carga.

Em sistemas que utilizam compressores alternativos, sempre h circulao deleo. O projeto de linha deve prever o retorno do leo ao crter do compressor.

A tubulao deve estar levemente inclinada no sentido do fluxo, o que ajuda ofluxo de leo na direo correta.

Deve estar prevista a absoro de vibraes e curvas de compensao.

5.7. Acessrios

Termostato: indicam as variaes de temperatura e controlam contatos eltricos.

Visor de lquido: indica a presena de vapor no condensado antes da vlvula de

expanso.

Figura 5.38. Alguns tipos de visores de lquido.


76/159

75

Manmetro: usados para medir presso em pontos da linha.

Figura 5.39.Manifoldutilizado em refrigerao e ar condicionado.

Filtro secador: colocado na linha de lquido, serve para retirar a umidade do circuito.

Vlvulas de servio, segurana e solenide: servem para fechar partes do circuitopara manuteno, evita o excesso de presso, e bloqueia o refrigerante na linha delquido antes da vlvula de expanso, para evitar retorno de refrigerante.

Presostatos: o pressostato de alta desliga o sistema quando a presso de descarga excessiva. O pressostato de baixa desliga o sistema quando a presso de suco muito baixa. O pressostato de leo controla a presso de lubrificao do compressor.

Outros acessrios: acumulador de suco, separador de leo, etc.


77/159

76

6. NOES DE PROJETO DE CLIMATIZAO

6.1. Princpios


78/159

77

6.2. Condies de projeto


79/159

78


80/159

79

6.3. Estimativa da carga trmica


81/159

80

6.3.1. Parcelas da carga trmica


82/159

81

Tabela 6.1.

6.1


83/159

82

Tabela 6.2.

6.1


84/159

83

Figura 6.1. Insolao x orientao solar da parede.


85/159

84

Tabela 6.3


86/159

85

Tabela 6.4

Tabela 6.5


87/159

86

Tabela 6.6

Tabela 6.7


88/159

87

Tabela 6.8


89/159

88

Tabela 6.9


90/159

89

6.11


91/159

90

Tabela 6.10.

Tabela 6.11.


92/159

91


93/159

92

6.3.2. Determinao da vazo total de insuflamento

Para a determinao da vazo total, necessrio conhecer a taxa de renovao, ou seja, a

razo entre o ar de renovao (ventilao) e a vazo total insuflada no recinto (lembrando queparte de vazo ar recirculado).

Em recintos ocupados por pessoas, a admisso de ar externo uma necessidade, como

observado no item anterior (na seo infiltrao e ar de renovao). A ventilao responsvel por uma parte significativa da carga nos equipamentos de refrigerao. As taxas

em cada recinto devem variar de acordo com sua ocupao (ex: se h fumantes ou no). Emalgumas aplicaes onde o condicionamento de ar se destina ao conforto, a vazo mnima de

ar externo de 10 a 20 % da vazo total de ar insuflado. Em aplicaes especiais, como, por

exemplo, salas de operao de hospitais e salas para cobaias, o ar insuflado inteiramenteexterno, sendo condicionado para satisfazer as condies internas especificadas, no havendo

recirculao nesse caso.A recirculao de ar implica na necessidade de filtragem do mesmo. Assim, a taxa de

recirculao pode ser definida pela eficincia do filtro. Segundo a norma ASHRAE:

VR VVV&&& +=

Onde:

V& a vazo total de insuflamento (ponto 4 de um sistema de zona simples)

RV& a vazo de recirculao

VV& a vazo de ventilao (ar de renovao)

E

VVV min0R

&&&

=

0V& a taxa de renovao prescrita para uma dada aplicao

minV& a taxa mnima permissvel de renovao prescrita para uma dada aplicao

E a eficincia do filtro, dada pela tabela 6.12


94/159

93

Tabela 6.12. Eficincia de remoo de poeiras (1m) segundo a ASHRAE.

Uma vez determinada, a vazo total em volume pode ser convertida em vazo mssica e

utilizada nos clculos de dimensionamento sistema (item 4.2).

6.3.3. Armazenagem


95/159

94

6.3.4. Zoneamento

Fi ura 6.2. Efeito do zoneamento.

6.2


96/159

95

6.3.5. Aquecimento

6.3.6. Sombreamento

Figura 6.3.ngulos solares.


97/159

96


98/159

97

6.4. Exemplo

Considere a edificao descrita a seguir. Pede-se:

a) Clculo das carga trmica trmicas total, sensvel latente, FCS e zoneamento

b) Caracterizao do estado do ar em cada ponto do sistema

c) Dimensionamento do sistema de refrigerao (Capacidade de refrigerao e vazototal)

Descrio da edificao:

O prdio a ser condicionado uma edificao (v. croquis anexo) a ser usada nos perodosda manh e tarde (de 9:00 s 18:00) para atividades administrativas.

Estimar o nmero de funcionrios e a iluminao necessria segundo as normas

adequadas.

Contabilize um computador por funcionrio.

Localizao: Cidade do Rio de Janeiro (22o 54 36 s).

O Teto uma laje de concreto com areia e brita, de 8 cm de espessura, coberta com umtelhado de telhas de cermica.

As paredes (internas e externas) so de alvenaria, com 15 cm de espessura e altura de3m.

As janelas so de vidro simples com sombreamento e cortinas internas.

As portas so de madeira (para efeito de clculo, considerar como paredes).

Levar em conta uma taxa de renovao de ar de 10%

Iluminao com lmpadas fluorescentes.

Desprezar infiltrao, sombreamento e armazenamento.

Quaisquer informaes faltantes que se julgar necessrias podem ser estimadas eagregadas s informaes apresentadas no projeto original.


99/159

98

Portas: 0,90 x 2,10 m

Janelas: 1,50m de altura

Basculante do banheiro: 0.5 m de altura

Os dois escritrios tm as mesmas dimenses.

A sala de reunies e a sala de direo tm as mesmas dimenses.

10 m

Sala da 2 m 1 mDireo (D)

3 m 4 mBanheiro

Sala de reunies (B)(R)

Corredor (C)

Escritrio (E1) Escritrio (E2)

N16 m

O L

11 m S8 m 5 m


100/159

99

Soluo:

Entradas do projeto:

Ambiente externo (ponto 1 da Fig. 4.1): da Tabela I-A, Tbs = 35o C e Tbu = 26,5

o C

Ambiente interno (ponto 2 da Fig. 4.1): da Tabela III, considerando a finalidade conforto,e tirando a mdia do intervalo, temos Tbs = 24o C e = 50 %

Carga interna da edificao:

Ocupao: segundo a tabela 6.10, para escritrios, temos 6 pessoas/m2 (aplicado aosrecintos D, E1 e E2). Para salas de conferncia, 0,7 pessoas/m2. Ser considerada umaocupao de 1 pessoa para o banheiro e nenhuma no corredor.

De acordo com a tabela 6.11, a taxa de metabolismo por pessoa de 113 kcal/h. Paraescritrios a 24o C (temperatura do ambiente interno), temos 61 kcal/h e 52 kcal/h para as

parcelas de calor sensvel e latente, respectivamente. Aplicando o fator de converso de1,162 W/(kcal/h), essas taxas se tornam 131 W (metabolismo total) e 71 w/60 W (parcelasde calor sensvel/latente).

Iluminao: considerando 40 W/m2, aplicado o multiplicador 1,25 para iluminao porlmpada fluorescente.

Equipamentos: considerado 1 computador por funcionrio fixo (o que corresponde a 2funcionrios na sala da direo e 9 em cada escritrio). Se cada computador operar a 220V de tenso, com uma corrente de 1 A, a potncia dissipada ser considerada como 220V x 1 A = 220 W/computador;

Recinto rea(m2)

Ocupao(pessoas)

CargaSensvel

(W)

CargaLatente

(W)

OcupaoCarga

Total (W)

Ilumi-nao(W)

Equipa-mentos(comp.)

Equip.(W)

Total(W)

D 12 2 142 120 262 600 2 440 1302R 12 17 1207 1020 2227 600 0 0 2827B 6 1 71 60 131 300 0 0 431C 20 0 0 0 0 1000 0 0 1000E1 55 9 639 540 1179 2750 9 1980 5909E2 55 9 639 540 1179 2750 9 1980 5909

Total 160 38 2698 2280 4978 8000 20 4400 17378Carga externa da edificao:

Coeficiente de transmisso:Da tabela 6.1, temos:Paredes (e portas ver enunciado): U = 2,5 W/m2.oCTelhado: U = 1,95 W/m2.oCDa tabela 6.2 Janelas: U = 6 W/m2.oC

Superfcies opacas

DTC das paredes: valor mximo (18 h), extrado da Tab. 6.8.DTC do telhado: valor mximo (17 h), extrado da Tab. 6.9.


101/159

100

Parede rea

Total(m2)

reaOpaca(m2)

reaJanela(m2)

UW/m2.oC

DTC(o C)

DTCCorr.(o C)

Carga(W)

N 30 23,5 6,5 2,5 12,7 19,7 1157S 30 30 0 2,5 9,6 16,6 1245

L 48 36 12 2,5 18 25 2250O 48 36 12 2.5 17 24 2160Telhado 160 160 0 1.95 37 44 13728Total 20540

Superfcies transparentes:

FGCI: valores mximos, extrados da Tab. 6.3.FCR: valores mximos, extrados da Tab. 6.6.CS: extrado da Tab. 6.7.

Janela rea(m2)

UW/m2.oC

DT( C)

Trans(W)

FGCI

FCR CS Insol(W)

Carga(W)

N 6,5 2,5 11 429 655 0,83 0,6 2120 2549S 0 2,5 11 0 199 0,89 0,6 0 0L 12 2,5 11 792 764 0,62 0,6 3410 4202O 12 2.5 11 792 764 0,81 0,6 4456 5248Total 2013 9986 11999

Zoneamento

A carga trmica externa distribuda no recinto proporcionalmente rea das paredes.Telhado e janelas daquele recinto.

Se houvesse diferena de temperatura entre os recintos internos, a carga deveria ter sidocalculada.

Recinto Cargainterna

(W)

rea(m2)

Cargatelhado

(W)

reaopaca(m2)

CargaParedes

(W)

reaTransp.

(m2)

CargaJanelas

(W)

Total(W)

D 1302 12 1029,6 18.0 983,0 3,0 1176,5 4491,1R 2827 12 1029,6 9,0 443,0 3,0 1176,5 5476,1

B 431 6 514,8 14,5 833,5 0,5 196,0 1975,3C 1000 20 1716,0 12,0 735,0 0,0 0,0 3451,0E1 5909 55 4719,0 36,0 1882,5 12,0 5248,0 17758,5E2 5909 55 4719,0 36,0 1935,0 12,0 4202,0 16765,0Total 17378 13728,0 6812,0 11999 49917,0

Clculo da carga trmica:

Carga trmica total:

Carga interna + Carga externa (paredes) + Carga externa (janelas) =17378 W + 20540 W + 11999 W = 49917 W


102/159

101

Carga Trmica Latente: 2280 W

Carga Trmica Sensvel: 47637 W

FCS: 47637/49917 = 0,954

Resposta do item (a): kW50QT =& ; kW3,2QL =& ; kW7,47QS =& ;FCS = 0,95

Caracterizao dos estado do ar: os pontos do sistema so mostrados na Fig. 4.1

Vazo mssica total: considerando 38 pessoas, e uma vazo de ar externo recomendadade 27 m3/h por pessoa (v. item 6.3.1, infiltrao e ar de renovao), temos que a vazo dear de renovao ser: 27 x 38 = 1026 m3/h, ou seja:

s/m285,0V 3V =&

com uma taxa de renovao de 10 %, temos:

s/m57,2V 3R =&

s/m85,2V 3=&

Ponto 1:

Ar externo, TBS1 = 35o C e TBU1 = 26,5

o C

W1 = 0,01856 kg-v/kg-ar secoh1 = 82,61 kJ/kgv1 = 0,898 m

3/kg

Ponto 2:

Ar interno, TBS2 = 24o C e 2 = 0,5

W2 = 0,00929 kg-v/kg-ar secoh2 = 47,65 kJ/kgv2 = 0,854 m

3/kg

Considerando as vazes estimadas para essas condies, possvel determinar asvazes mssicas a partir das propriedades do ponto 2:

s/kg34,0kg/m854,0

s/m285,0

v

Vmm

3

3

2

VV1 ====

&

&&

s/kg0,3kg/m854,0

s/m57,2

v

Vmm

3

3

2

RR'2 ====

&

&&

s/kg34,3kg/m854,0

s/m85,2

v

Vmmmm

3

3

2

432 ======&

&&&&


103/159

102

Ponto 3:

Mistura das correntes 1 e 2:

W3 = 0,01023 kg-v/kg-ar secoh3 = 51,21 kJ/kg

T3 = 25,1o

C (0,13 % de erro, aplicando a mdia ponderada)v3 = 0,853 m3/kg

Ponto 4:

A partir da equao:

)hh(mQ 42T = &&

Obtm-se:

h4 = 32,68 kJ/kg

Com o valor de FCS, obtm-se:

T4 = 9,7o C

W4 =0,00912 kg-vapor/kg-ar seco

v4 = 0,813 m3/kg

Resposta do item (b): o estado do ar em cada ponto mostrado na tabela a seguir.

Propriedade \ ponto 1 2 3 4T (O C) 35 24 25,1 9,7h (kJ/kg) 82,61 47,65 51,21 32,68W (kg-vapor/kg-ar seco) 0,01856 0,00929 0,01023 0,00912v (m3/kg) 0,0898 0,0854 0,858 0,813

Dimensionamento do sistema

A vazo total j foi determinada. Falta determinar a capacidade de refrigerao.

)hh(mQ 34R = &&

kW9,61)21,51kg/kJ68,32(s/kg34,3QR ==&

Resposta do item (c):Vazo mssica total: 3,34 kg/sVazo volumtrica: 2,85 m3/sCapacidade de refrigerao: 62 kW


104/159

103

7. VENTILAO

7.1. Dimensionamento da rede de dutos

7.1.1. Arbitragem de velocidades

Figura 7.1. Rede de dutos.

7.1


105/159

104

Tabela 7.1.


106/159

105

7.1.2. Mtodo de igual atrito


107/159

106


108/159

107

7.1.3. Mtodo da recuperao de presso

Tabela 7.2.


109/159

108

Figura 7.2. Rede de dutos.


110/159

109

Grfico 1 Relao L/Q

Grfico 2 Velocidade do ar aps derivao


111/159

110


112/159

111

7.2. Estimativa da perda de carga


113/159

112

Figura 7.3. baco de Moody


114/159

113

Figura 7.4. Determinao da rugosidade relativa em funo do dimetro e caractersticasdo tubo.


115/159

114

Tabela 7.3.

Tabela 7.4.

Tabela 7.5.


116/159

115

Tabela 7.6.


117/159

116

Tabela 7.8.

Tabela 7.7.

Tabela 7.9.

7.9


118/159

117

Tabela 7.10.

Tabela 7.11.


119/159

118

7.3. Distribuio do ar

Grelhas de retorno


120/159

119

Bocas de insuflamento

Figura 7.5. Difusor tpico.

Figura 7.6. Insuflamento de ar em um ambiente.


121/159

120

Figura 7.7. Algumas conseqncias da induo de ar externo..

Figura 7.8. Queda de um jato de ar frio e desvio ao atingir um obstculo.

Chapas galvanizadas


122/159

121

Tabela 7.12. Bitolas de chapas para a fabricao de dutos rgidos em sistemas debaixa presso (velocidades ata 10 m/s).

Casa de mquinas

Figura 7.9. Esquema de uma casa de mquinas.


123/159

122

Isolamento da rede de dutos

Figura 7.10. sistema de isolamento dos dutos.

Suporte dos dutos

Filtros

7.13


124/159

123

Tabela 7.13. Resumo dos tipos de filtros para climatizao NB-10.

Tomada de ar externo


125/159

124

Tabela 7.14. Resumo de alguns tamanhos comerciais de tomadas de ar externo.

7.4. Ventiladores

Uma vez que foi determinado o traado dos dutos e calculada a perda de carga, necessrio dimensionar o ventilador responsvel pela circulao do ar no sistema dedutos com a vazo desejada. O ventilador deve ser capaz de gerar um presso de sadasuperior queda de presso do ar nos dutos, desde a admisso at a exausto. O tipo

mais comumente empregado de ventilador so os centrfugos. A seguir, sero vistosdetalhes do funcionamento, dimensionamento e ajustes dos ventiladores usados emcondicionamento de ar.

7.4.1. Ventiladores centrfugos e suas caractersticas


126/159

125

Figura 7.11. Ventilador centrfugo.

Figura 7.12. Caractersticas de desempenho de um ventilador centrfugo de pscurvas voltadas para a frente, com dimetro de roda e largura iguais a 270 mm, e

dimenses do duto de sada de 0,517 por 0,289 mm.


127/159

126


128/159

127

7.4.2. Leis dos Ventiladores


129/159

128


130/159

129

7.5. Exemplo

A partir do exemplo 6.4, traar e dimensionar a tubulao de distribuio do ar. Calcular aperda de carga.

Empregar o mtodo da arbitragem de velocidades.

Supor que todas as grelhas tm profundidade de penetrao de 3m e perda de cargadesprezvel.

Soluo: Uma distribuio possvel mostrada a seguir. Um self-containedde expansoindireta empregado, e a unidade de condensao colocada na face sul, de modo areduzir a insolao. Os quadrados brancos so as grelhas de insuflamento docorredor.Para o retorno sero empregadas grelhas nas portas dos recintos.

10 m

Sala da 2 m 1 mDireo (D)

3 m 4 mBanheiro

Sala de reunies (B)(R)

Corredor (C)

Escritrio (E1) Escritrio (E2)

N16 m

O L

11 m 5 m S

8 m

SELFCONTAINED

UNIDADE DECONDENSAO


131/159

130

Os componentes e dimenses da tubulao so marcados a seguir.

De acordo com a tabela 7.1, na coluna Escolas, teatros e edifcios pblicos, asvelocidades recomendadas so:Duto principal: 5 a 6,5 m/s, mdia de 5,75 m/sRamais horizontais: 3 a 4,5 m/s, mdia de 3,75 m/sRamais verticais (no h no projeto)

Para facilitar os clculos, adotaremos uma nica velocidade, mdia das mdias, de 4,75m/s, arredondando para 5 m/s. tal velocidade se encontra abaixo do mximo para ambosos casos. As vazes listadas so obtidas proporcionalmente carga trmica do recinto.Nos casos 5,6 e 7, como h duas grelhas em cada recinto, elas devero ser somadas

para obter o total do recinto.

Recinto Cargatrmica

(W)

VazoVolumtrica

(m3/s)D 4491,1 0,256R 5476,1 0,313B 1975,3 0,113C 3451,0 0,197E1 17758,5 1,014

E2 16765,0 0,95749917,0 2,85

Admissoe

Sadas

VazoVolumtrica

(m3/s)V1 2,850V2 0,113V3 0,313V4 0,256V5 0,479

V6 0,507V7 0,099

V4 V3 V2

V1

1 m

3 m4 m

5 m0,5 m

2 m

1 m

3 m

6 m

5 m 2,5 m

V6 V5

V5V6

V7


132/159

131

Com a velocidade fixada, possvel encontrar a rea da seo do tubo. Para odimensionamento dos tubos retangulares, ser considerada uma altura fixa de 30 cm. Emum projeto real, essa altura pode (ou deve) variar, para se adaptar utilizao ou manteruma razo de aspecto aceitvel. Uma vez fixada a altura, encontrada a largura do tubo.Na figura a seguir, os elementos so numerados para determinao de suascaractersticas.

Tubos retos (perda de carga contnua)

item Vazo(m3/s)

Vel.(m/s)

rea(m2)

Altura(m)

Largura(m)

Dh(m)

Re f L(m)

P.C.(Pa)

1 2.850 5 0.570 0.30 1.90 0.52 1.7x105 0.017 1.0 0.483 0.113 5 0.023 0.30 0.08 0.12 4 x 104 0.022 1.0 2.67

4 2.737 5 0.547 0.30 1.82 0.52 1.6x105

0.017 1.5 0.726 2.638 5 0.528 0.30 1.76 0.52 1.6x105 0.017 1.5 0.738 0.313 5 0.063 0.30 0.21 0.25 8 x 104 0.020 1.0 1.199 2.325 5 0.465 0.30 1.55 0.50 1.6x105 0.017 1.0 0.4911 0.353 5 0.071 0.30 0.24 0.26 8 x 104 0.020 2.5 2.7713 0.254 5 0.051 0.30 0.17 0.22 7 x 104 0.020 0.5 0.6815 0.254 5 0.051 0.30 0.17 0.22 7 x 104 0.020 1.0 1.3516 1.972 5 0.394 0.30 1.31 0.49 1.6x105 0.017 3.0 1.5318 0.479 5 0.096 0.30 0.32 0.31 1.0x105 0.019 2.0 1.8019 0.507 5 0.101 0.30 0.34 0.32 1.0x105 0.019 2.0 1.7520 0.986 5 0.197 0.30 0.66 0.41 1.3x105 0.018 6.0 3.8522 0.479 5 0.096 0.30 0.32 0.31 1.0x105 0.019 2.0 1.8023 0.507 5 0.101 0.30 0.34 0.32 1.0x105 0.019 2.0 1.75

V4 V3 V2

V1

V6 V5

V5V6

V7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1112

13

14

15

16

17

18

19

20

21

2223


133/159

132

Para o clculo da perda de carga contnua (tubos retos), o nmero de Reynolds foi obtidoa partir de uma viscosidade cinemtica do ar de 15,7 x 10 -6 m2/s, utilizando o dimetrohidrulico dos tubos de seo retangular. A rugosidade relativa usada foi a do aocomercial (0,00015). A massa especfica foi baseada no estado do ar no ponto 2:

= 1/v2= 1,171 kg/m3.

Acessrios (perda de carga Localizada)

item Tipo F Vel. deentrada

(m/s)

P.C.(Pa)

2 Bifurcao 1,00 5 14,65 Grelha

(ignorar)-

7 Bifurcao 1,00 5 14,610 Bifurcao 1,00 5 14,612 Grelha

(ignorar)-

14 Curva 1,04 5 15,217 Bifurcao 1,00 5 14,621 Bifurcao 1,00 5 14,6

Na curva 14 foi usado H/L de 2 (o mais prximo da razo correta, 1,77), considerandocanto vivo. Para as bifurcaes, assumiu-se que o fator de perda F unitrio, j que seuclculo depende do conhecimento detalhado de cada uma. Pode-se observar que asperdas em elementos localizados so bem maiores que nos tubos. Isso se deve ao

pequeno comprimento dos mesmos.

Agora, necessrio encontrar a sada que produzir a maior perda de carga. Em umprojeto real, necessrio calcular a perda de carga para todas as sadas. No nosso caso,as candidatas naturais so as sadas dos tubos 15, 22 e 23, que possuem as maioresextenses.

Perda de carga em cada linha

Item 1 2 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 TotalP. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 2,77 0 0,68 15,2 1,35 66,22

Item 1 2 4 5 6 7 9 10 16 17 20 21 22 TotalP. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 1,53 14,6 3,85 14,6 1,80 82,60Item 1 2 4 5 6 7 9 10 16 17 20 21 23 TotalP. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 1,53 14,6 3,85 14,6 1,75 82,55Assim sendo, a maior perda de carga de 82,6 Pa. O ventilador selecionado deve supriressa diferena de presso para garantir a vazo prescrita na linha. Como as outrasramificaes tm perdas menores, suas vlvulas devero ser ajustadas para produzir asvazes desejadas.


134/159

133

8. REFRIGERANTES

8.1. Fluidos primrios e secundrios

Fluidos primrios: so os fluidos usados no ciclo de compresso do vapor. Sero

tratadas em detalhe na seo a seguir.

Fluidos secundrios: transferem energia da substncia que est sendo refrigeradapara o evaporador de um sistema de refrigerao. No apresenta mudana defase: a absoro e rejeio de calor se do por mudana de temperatura.Exemplos: gua, anticongelantes (mais usados:propileno-glicol, etileno-glicol,cloreto de clcio) e salmouras.

8.2. Tipos de refrigerantes primrios

Hidrocarbonetos halogenados: so os CFCs. A nomenclatura segue o seguintepadro (ASHRAE):

1 algarismo: nmero de tomos de carbono -1 (omitir o zero).

2 algarismo: nmero de tomos de hidrognio +1.

3 algarismo: nmero de tomos de flor.

Misturas azeotrpicas: no podem ser separadas em seus componentes pordestilao, ou seja, evapora e se condensa como uma substncia simples.Exemplos: R500 e R502.

Hidrocarbonetos: usados como refrigerantes nas indstrias petroqumicas.Exemplos: R50 (metano), R170 (etano), R290 (propano).

Compostos inorgnicos: os principais tipos so listados abaixo.


135/159

134


136/159

135

BIBLIOGRAFIA

American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAEFundamentals Handbook, 1997.

Creder, H., Instalaes de Ar Condicionado, LTC, 1985.

Da Silva, J. G., Introduo Tecnologia da Refrigerao e da Climatizao,Artliber, 2004.

Da Silva, R. B.,Ar Condicionado, EPUSP, 1968.

Da Silva, R. B., Instalaes Frigorficas, EPUSP, 1979.

Dossat, R. J., Princpios de Refrigerao, Hemus, 1980.

Elonka, S. M., Minich, Q. W., Manual de Refrigerao e Ar Condicionado, McGraw-

Hill, 1978.

Jones, W. P., Engenharia do Ar Condicionado, Campus, 1983.

Mesquita, A. L. S., Guimares, F. A., Nefussi, N., Engenharia de VentilaoIndustrial, CETESB, 1977.

Stoecker, W. F., Jones, J. W., Refrigerao e Ar Condicionado, McGraw-Hill, 1985.Torreira, R. P., Isolamento Trmico Frio & Calor, Fulton, 1980.

U.S. Navy Bureau of Naval Personnel Training, Refrigerao e Condicionamento deAr, Hemus, 1980.

Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E., Fundamentos da Termodinmica Clssica, 2edio, Edgard Blcher, 1976.


137/159

136

ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES

Tabela A.1. Propriedades da gua saturadaTabela A.2. Propriedades do Ar mido presso atmosfricaTabela A.3. AmniaTabela A.4. R11

Tabela A.5. R12Tabela A.6. R22 - saturadoTabela A.7. R22 superaquecidoTabela A.8. R-502Figura A.1. Amnia Diagrama P x hFigura A.2. R11 Diagrama P x hFigura A.3. R12 Diagrama P x hFigura A.4. R22 Diagrama P x hFigura A.5. R502 Diagrama P x h


138/159

137

Tabela A.1. Propriedades da gua saturada


139/159

138


140/159

139

Tabela A.2. Propriedades do Ar mido presso atmosfrica 101.325 kPa


141/159

140


142/159

141

Tabela A.3. Amnia


143/159

142


144/159

143

Tabela A.4. R11


145/159

144


146/159

145

Tabela A.5. R12


147/159

146


148/159

147

Tabela A.6. R22 - saturado


149/159

148


150/159

149

Tabela A.7. R22 superaquecido


151/159

150


152/159

151


153/159

152

Tabela A.8. R-502


154/159

153


155/159

154

Figura A.1. Amnia Diagrama P x h


156/159

155

Figura A.2. R11 Diagrama P x h


157/159

156



158/159

157



159/159


notas de aula refrigeracao

Documents