Refrigeracao e Ar CondicionadoCarga Termica de Refrigeracao

Filipe Fernandes de Paulafilipe.paula@engenharia.ufjf.br

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I A carga termica de refrigeracao ou potencia frigorıfica e o calor, porunidade de tempo, que deve ser extraıdo do ambiente refrigeradopara manter neste local a temperatura desejada;

I A carga termica depende, em geral, de muitos fatores, que podemser divididos em:

I Carga de transmissao;I Carga de produtos;I Carga interna;I Carga por ar infliltrado;I Carga de equipamentos.

I A metodologia de calculo da carga termica para sistemas derefrigeracao e sistemas de condicinamento de ar diferem.

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Introducao

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Carga Termica Por Transmissao

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Carga Termica Por Transmissao

I O ganho de calor sensıvel atraves de paredes, forro e piso varia como tipo e espessura do isolamento, area externa da parede e diferencade temperatura entre espaco refrigerado e ar ambiente;

I A determinacao da diferenca entre as temperaturas externa einterna e funcao das condicoes do ar ambiente e do interior;

I A taxa de calor transmitida para o espaco refrigerado pode sercalculada como:

Qt = UA(Te − Ti ) (1)

I Qt e a taxa de calor transmitida para o espaco refrigerado;I A e a area da parede;I Te e a temperatura do ar externo;I Ti e a temperatura do ar interno.

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Carga Termica Por TransmissaoI O coeficiente global de transferencia de calor U, pode ser calculado

por:

U =1

1

hi+

x

k+

1

ho

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I Onde U e o coeficiente global de transferencia de calor;I x a espessura da parede/isolamento;I hi e o coeficiente de conveccao na parede interna do espaco

refrigerado;I ho o coeficiente de conveccao na parede externa do espaco

refrigerado.I Os coeficientes de transferencia de calor por conveccao, hi e ho

podem ser estimados pela expressao:

h = 1, 66 + 0, 66u (3)

I Onde u e a velocidade do ar em m/s;I Para condicoes internas, costuma-se considerar a velocidade nula.

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Carga Termica Por Transmissao

I Para paredes espessas e de material de baixa condutividade, aresistencia termica dada por x/k e predominante;

I Dessa forma, tanto 1/ho quanto 1/hi tem pouco efeito no calculopodendo ser omitidos;

I Como muitas vezes as paredes dos espacos refrigerados saoconstruıdas de varias camadas de diferentes materiais, pode-seescrever:

U =1

x1

k1+

x2

k2+

x3

k3

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Carga Termica Por Transmissao

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Efeito da Radiacao Solar Sobre a Superfıcie Exposta doEspaco Refrigerado

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Efeito da Radiacao Solar Sobre a Superfıcie Exposta doEspaco Refrigerado

I Se as paredes da sala refrigerada estiverem expostas aos raios desol, havera necessidade de acrescentar uma carga termica adicional;

I Para fins praticos, a temperatura pode ser ajustada para compensaros efeitos da insolacao, atraves da adicao de um fator decompensacao ao valor da temperatura externa;

Qt = UA(Te − Ti + Tc) (5)

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Carga Pelo Produto

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Carga Pelo Produto

I A carga termica devido ao produto, que geralmente corresponde amaior porcentagem da carga termica de camaras de resfriamento econgelamento, e composta basicamente das seguintes parcelas:

I Calor sensıvel antes do congelamento - Esta parcela e devida aocalor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperaturadesde a temperatura de entrada na camara ate a temperatura deinıcio de congelamento, ou, no caso em que o produto somente vaiser resfriado, a sua temperatura final;

I Calor latente de congelamento - E o calor retirado do produtopara promover seu congelamento;

I Calor sensıvel apos o congelamento - Esta parcela e devida aocalor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperaturadesde a temperatura de congelamento ate a temperatura final doproduto;

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Carga Pelo Produto

I Calor de respiracao - Representa o calor liberado na camara devidoao processo de respiracao de frutas frescas e vegetais. A liberacaodeste calor de respiracao, tambem conhecido como calor vital, variacom a temperatura. Assim quanto mais frio o produto, menor o calorliberado.

I Considerando todas as parcelas mencionadas, tem-se

Qprod = GM [cp,1(Tent − T1) + hcg + cp,2(T2 − T1)]+

GTQresp [kcal/dia](6)

I Onde:I GM e a movimentacao diaria de um determinado produto na camara,

em kg/dia;I cp,1 e o calor especıfico do produto antes do congelamento, em

kcal/kg °C ;I Tent e a temperatura de entrada do produto na camara, em °C ;

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Carga Pelo Produto

I T1 para camaras de resfriamento e a temperatura final do produto e,para camaras de congelamento, e a propria temperatura decongelamento do produto, em °C

I hcg e o calor latente de congelamento do produto, em kcal/kg ;I cp,2 e o calor especıfico do produto apos o congelamento, em

kcal/kg °C ;I T2 e a temperatura final do produto congelado em °C ;I GT e a quantidade total de produtos na camara, em kg ;I Qresp e a quantidade de calor liberado pela respiracao do produto, em

kcal/kg · dia.

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Carga Termica Devido a Infiltracao de ArExterno

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Carga Termica Devido a Infiltracao de Ar Externo

I A carga termica devido a infiltracao de ar esta relacionada com aentrada de ar quente (ar externo) e saıda de ar frio da camarafrigorıfica, atraves de portas ou quaisquer outras aberturas;

I Cada vez que uma porta da camara e aberta uma determinadaquantidade de ar externo penetra na mesma, a qual devera serresfriada pelo sistema frigorıfico da camara, aumentando a cargatermica;

I Assim, a quantidade de ar que entra em camara pode ser estimada,a partir do Fator de Troca de Ar (FTA) de uma camara, sendo este,por sua vez, dependente do volume e tipo da camara;

I O FTA expressa o numero de trocas de ar por dia (trocas/dia) dacamara;

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Carga Termica Devido a Infiltracao de Ar Externo

I Uma vez que se conhece o volume de ar externo que entra nacamara por dia, pode-se entao determinar a carga de infiltracao pelaequacao abaixo:

Qinf = VcamFTA∆H ′ [kcal/dia] (7)

Onde:I Vcam e o volume da camara (m3);I ∆H ′ refere-se ao calor cedido por cada metro cubico de ar que entra

na camara;

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Carga Termica Devido a Infiltracao de Ar Externo

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Carga Termica Devido a Infiltracao de Ar Externo

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Carga por Iluminacao

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Carga por Iluminacao

I Deve-se ao calor dissipado pelas fontes internas de iluminacao epode ser calculada por:

Qi = Wi · Ap · Dto (8)

I Wi e a taxa de iluminacao, em W /m2;I Ap e a area do piso da camara (m2);I Dto e fracao de tempo (sobre um perıodo de 24 horas) que a

iluminacao estiver acesa.

I Como regra, a taxa de iluminacao utilizada em projetos de camarasfrigorıficas e de 10W /m2.

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Carga por Ocupacao

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Carga por Ocupacao

I Decorrente da liberacao de calor pelos ocupantes do espacorefrigerado devido ao metabolismo do corpo humano;

I E funcao da temperatura do local, tipo de trabalho realizado, tipode roupa e tamanho da pessoa;

I Essa carga termica pode ser estimada atraves da seguinte equacao:

Qo = NP · Qeq · Dto (9)

I Np e o numero de ocupantes do espaco refrigerado;I Qeq e o calor equivalente dos ocupantes, em W /pessoa;I Dto e fracao de tempo (sobre um perıodo de 24 horas) de ocupacao;

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Carga por Ocupacao

I O calor equivalente pode ser calculado atraves de:

Qeq = 272 − 6 · Ti (10)

I Ti e a temperatura do espaco refrigerado, em °C .

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Carga Devido a Motores Eletricos

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Carga Devido a Motores Eletricos

I O calor dissipado por motores eletricos pode ser obtido a partir dasua potencia e do seu rendimento;

I Na ausencia de dados especıficos, podem ser utilizados os valores daseguinte tabela:

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Carga Termica Devido aos Motores dosVentiladores

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Carga Termica Devido aos Motores dos Ventiladores

I Uma outra fonte de calor que esta presente no interior das camarasfrigorıficas sao os motores dos ventiladores dos evaporadores;

I No entanto, somente e possıvel determinar a potencia dissipada porestes ventiladores apos a selecao dos evaporadores;

I Os evaporadores, por sua vez, somente podem ser selecionados aposo calculo da carga termica total da camara, o que inclui o calorliberado pelos motores dos ventiladores;

I Em geral pode-se considerar um acrescimo de 10 a 15% sobre acarga termica total.

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Carga Termica Devido aos Motores dos Ventiladores

I Quando o evaporador e selecionado e portanto se conhece osmotores dos ventiladores, e preciso recalcular a carga termica dosventiladores para verificar se a capacidade termica resultante esta deacordo.

Qvent =Wvent

ηventτ632 [kcal/dia] (11)

I Onde:I Wvent e a potencia total dos ventiladores, em cv;I τ e o tempo de funcionamento dos ventiladores, em h/dia;I ηvent e o rendimento dos ventiladores.

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Fator de seguranca

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Fator de seguranca

I Geralmente, um fator de seguranca de 10% e aplicado a cargatermica calculada para levar em consideracao possıveis discrepanciasentre o criterio de projeto e a operacao real.

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Carga Termica Total

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Carga Termica Total

I A carga termica total e obtida somando-se todas as cargas parciaiscalculadas (em kcal/dia) acrescidas do fator de seguranca;

I Esta carga calculada considera que o tempo de funcionamento dainstalacao frigorıfica seja de 24 horas;

I Devido a necessidade de descongelamento do evaporador aintervalos frequentes, nao e pratico projetar o sistema derefrigeracao de modo que o equipamento deva funcionarcontinuamente;

I Desta forma, o tempo de funcionamento do sistema vai ser funcaodo tipo de descongelamento empregado;

I Quando for utilizado descongelamento natural, o tempo defuncionamento permitido e aproximadamente 16 horas em cadaperıodo de 24 horas;

I Para os sistemas que empregam uma fonte auxiliar de calor pararealizar o descongelamento, o tempo de funcionamento maximopassa para 18 a 20 horas.

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Carga Termica Total

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Carga Termica Total

I Desta forma, a carga termica total, em unidade de potencia, ecalculada por:

Qtot =

(∑Q

)24h

T(12)

I Onde T e o tempo maximo de funcionamento permitido ao sistemade refrigeracao, em horas.

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Degelo

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Exemplos

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Exemplos

I Exemplo 1 - Calculo de carga termica para uma camara interna deconservacao de produtos congelados. Dados Preliminares:

I Temperatura externa: 35°C ;I Temperatura interna: −18°C ;I Umidade relativa: 60%;I Dimensoes internas: larg. 3m; comp. 4m; alt. 2,5m;I Material da camara: painel pre-fabricado;I Isolamento: paineis de EPS (isopor) 200mm;I Produto: peixe ja congelado;I Movimentacao Diaria: 3.000 kg/dia;I Ocupacao Total: 7.500 kg;I Presenca de motor ou fonte de calor: sim (motor do evaporador);I Temperatura de entrada do produto: −8°C ;I Numero de pessoas: 2 permanecendo 3 horas/dia;I Degelo: Eletrico.

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