serpentinas independentes - run around coil loop

IECAT - Instituto de Especialização em Ciências Administrativas e tecnológicas

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Curso de Pós Graduação

Refrigeração e Ar

Condicionado

Serpentinas Independentes

Run-Around Coil Loop

Eng° Ricardo Lopes


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Sumário

1. OBJETIVO ................................................................................................................................. 3

2. DEFINIÇÃO DO TERMO RUN-AROUND (INGLÊS) ........................................................... 3

3. SERPENTINAS INDEPENDENTES - RUN-AROUND COIL ............................................... 3

4. VANTAGENS E DESVANTAGENS ....................................................................................... 5

5. APLICAÇÕES VIÁVEIS .......................................................................................................... 6

6. MELHORES APLICAÇÕES ..................................................................................................... 6

7. APLICAÇÕES POSSÍVEIS ...................................................................................................... 6

8. O QUE NÃO SE DEVE FAZER AO DESENVOLVER UM PROJETO ................................. 6

9. TIPOS DE TECNOLOGIA - RECURSOS ................................................................................ 6

10. EFICIÊNCIA .............................................................................................................................. 7

11. EXEMPLOS DE CÁLCULOS .................................................................................................. 7

12. SELEÇÃO DE SERPENTINAS ALETADAS ........................................................................ 10

13. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS .............................................................................. 11

14. CONTROLE ............................................................................................................................. 11

15. MANUTENÇÃO ..................................................................................................................... 11

16. ESQUEMA DE INSTALAÇÃO .............................................................................................. 12

17. CONCLUSÕES E COMENTÁRIOS ...................................................................................... 13


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1. OBJETIVO

Conhecer sobre o sistema de recuperação de calor Run-around Coil.

Entender o conceito de funcionamento, associando à este os conceitos apresentados do curso de

pós-graduação, nas aulas de termodinâmica, transmissão de calor e no laboratório.

Analisar o funcionamento dos componentes, identificar vantagens e desvantagens de sua

aplicação

Prever situações de aplicação visando alinhamento aos conceitos de sustentabilidade.

2. DEFINIÇÃO DO TERMO RUN-AROUND (INGLÊS)

Bomba de circulação ou Run-around Coil.

Consiste de duas serpentinas de troca de calor, uma em cada sentido de fluxo, acopladas uma à

outra por meio de tubulação hidráulica em cujo interior circula um fluido de transferência térmica

através de uma bomba de circulação.

Este dispositivo, apesar de não ser relativamente muito eficiente, permite uma recuperação de

calor entre fluxos de ar remotos e frequentemente múltiplos.

A sua eficiência na recuperação de calor é de 50 %;

3. SERPENTINAS INDEPENDENTES - RUN-AROUND COIL

Com o recente aumento dos custos de energia, dispositivos de recuperação de calor podem

oferecer despesas menores com energia elétrica e retorno rápido de investimento.


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Um método popular de recuperação de calor são as Serpentinas Independentes Run-around Coil.

A montagem de uma rede hidráulica em torno de arco das serpentinas simplesmente transfere

calor a partir de uma corrente de ar para outra através de dois trocadores de calor utilizando como

meio de transferência de calor, geralmente água ou glicol.

Uma bomba é necessária para promover a recirculação do meio de transferência através do

sistema.

Embora a existência de vários outros métodos de recuperação de calor, o de um loop em torno das

serpentinas pode ser a única opção quando as correntes de ar não são adjacentes

Para implantar um projeto Run-around Coil é necessário primeiramente determinar as condições

de projeto e possuir no mínimo as seguintes informações:

1. Vazão de ar de insuflamento

2. Vazão de ar de expurgo

3. Temperaturas de insuflamento (TBS/TBU) de verão e de inverno

4. Temperaturas de expurgo (TBS/TBU) de verão e de inverno

5. O espaço físico disponível para serpentinas de expurgo e insuflamento.

Além de conhecer o espaço físico disponível para as serpentinas, é necessário estudar a logística

de instalação delas.

Geralmente, uma única serpentina será grande para permitir o manuseio ou sua localização.

Muitas vezes o espaço disponível será preenchido com um banco de serpentinas empilhadas em

fluxo paralelo. Apesar de uma única serpentina ser mais econômico, é possível evitar

modificações de construção que são dispendiosos, com utilização de serpentinas múltiplas.


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É um sistema típico de recuperação de energia que utiliza um trocador de calor do tipo serpentina

com tubos e aletas, conectados ao sistema de suprimento de ar externo e exaustão de ar do sistema

de ar condicionado ou ar de processo de um edifício.

As serpentinas são conectadas em um loop fechado, em contra fluxo, através é bombeada um

fluido de transferência de calor como água gelada ou etileno glicol.

Este sistema opera apenas para recuperação de calor sensível. Para aplicações de conforto, a

transferência de energia [e sazonalmente reversível. O suprimento de ar é pré-aquecido quando o

ar exterior está mais frio do que o ar de exaustão e é pré-resfriado quando o ar exterior está

quente.

4. VANTAGENS E DESVANTAGENS

Vantagens

1. Não é necessário que as duas correntes de ar sejam adjacentes entre si.

2. Podem ser utilizadas varias correntes de ar.

3. Tem poucas peças móveis como uma pequena bomba e uma válvula de controle.

4. Utilização eficiente do espaço.

5. Há redução do equipamento de aquecimento em alguns casos.

6. A capacidade de remoção de umidade do equipamento de refrigeração existente pode ser

melhorada.

7. Não há contaminação cruzada entre as correntes de ar.

Desvantagens

8. Pequeno investimento adicional nas instalações elétricas em função do aumento da

potência do ventilador, para que possa vencer a perda de carga adicional gerada pelo

trocador de calor.

9. Instalação de uma pequena bomba para recirculação do fluido de transferência (água

gelada ou etileno glicol) e rede de tubos interligando os trocadores.

10. Instalação de uma válvula de três vias e sensor de controle para atuação da bomba de

recirculação.

11. Instalação de um sistema de filtragem do ar exterior.


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5. APLICAÇÕES VIÁVEIS

As exigências de ventilação de ar aumentaram, por outro lado investidores buscam certificações

Leed® Green Building, somados aos elevados custos de energia as serpentinas independentes têm

estimulado o interesse em sistemas de recuperação de calor.

Com a recuperação de calor a capacidade do sistema existente pode ser aumentada sem a adição

de resfriador, ou incremento da central de água gelada ou da capacidade da caldeira. Este sistema

aplica-se melhor em edifícios onde a maior parte do ar exterior e o ar de escape encontram-se não

são demasiadamente afastados.

6. MELHORES APLICAÇÕES

Como este sistema é voltado para a recuperação de calor sensível, é melhor aproveitado se

aplicado em locais onde há uma estação de verão considerável e em projetos que exigem um

grande percentual de ar exterior, aumentando a eficiência do sistema através da transferência de

calor no ar de exaustão para qualquer pré-resfriamento ou pré-aquecimento do ar de admissão.

7. APLICAÇÕES POSSÍVEIS

Qualquer edifício onde a redução da carga sensível sobre o equipamento de refrigeração é

vantajosa

8. O QUE NÃO SE DEVE FAZER AO DESENVOLVER UM PROJETO

Evitar aplicações quando há um número de dutos de admissão ou saída de ar que devem ser

canalizadas para um único ponto. Nesses casos, os benefícios provavelmente não compensarão o

aumento da potência do ventilador e da bomba e custos em primeiro lugar.

9. TIPOS DE TECNOLOGIA - RECURSOS

Serpentinas de recuperação de energia - Sistemas Loop são altamente flexíveis e bem adequadas à

renovação de ar ou em aplicações industriais. O sistema acomoda bem o aprovisionamento à


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distância e, através dos dutos de admissão ou exaustão, permite a transferência simultânea de

energia entre as fontes e usos múltiplos.

Um tanque de expansão deve ser incluído para permitir a expansão e contração do fluido de

transferência.

Um tanque de expansão fechado ou pressurizado minimizará consideravelmente a oxidação

quando o etileno glicol é utilizado como fluido de transferência.

Serpentinas padrão podem ser usadas, no entanto precisam ser projetados usando um modelo de

simulação precisa, de forma avaliar os valores de custo benefício, assim como em qualquer

sistema de engenharia para integrar os Loops Run-around, por exemplo, em edifícios com cargas

variáveis, de modo alcançar o máximo de benefícios.

Em regiões de frio intenso, a umidade não deve congelar a ponto de obstruir a passagem de do ar

na serpentina. Nesses casos, uma válvula de três vias de controle de temperatura deve ser utilizada

com a finalidade de impedir o congelamento. A válvula é utilizada para controlar a temperatura da

solução antes de entrar na serpentina.

As curvas de desempenho de cada fabricante são específicas e os dados de desempenho devem

ser utilizados na seleção das serpentinas. Eles devem levar em consideração a velocidade face e

quedas de pressão, mas apenas quando os dados de projeto são para a mesma temperatura e

condições de operação como no sistema Run-around.

.

10. EFICIÊNCIA

A serpentina de loop de recuperação de energia não pode transferir umidade a partir de uma

corrente de ar para outra, no entanto o arrefecimento por evaporação indireta pode reduzir a

temperatura do ar de exaustão, o que reduz significativamente as cargas de refrigeração. Para a

operação mais rentável, com taxas de fluxo de ar iguais e não de condensação, os valores de

eficácia típicos variam de 45 a 65%. Maior eficácia não necessariamente dar as maiores

economias de custos líquidos.

11. EXEMPLOS DE CÁLCULOS

Exemplo 1 - Ilustra a capacidade de um sistema típico

Pretende-se utilizar os resíduos de um sistema de recuperação de calor para aquecer 10.000 cfm de

ar a partir de uma temperatura do ar exterior de 0° F, usando uma corrente de ar de exaustão com

temperatura de bulbo seco de 75° F e temperatura de bulbo úmido de 60° F, na eficácia de 100% e

uma carga de aquecimento máximo de 810.000 Btu/h.


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O ar flui através de serpentinas idênticas de oito rows a uma velocidade nominal 400 fpm e uma

solução de 30% de etileno-glicol de etileno que é o meio de transferência de calor com vazão de

26 gpm.

Controle de congelamento tipicamente mantém a capacidade de recuperação do ar exterior

constante para temperaturas abaixo de 20° F. Essa constante de saída ocorre porque a válvula deve

controlar a temperatura do fluido de entrada na serpentina de exaustão para prevenir o

congelamento. Acima de aproximadamente 20° F a capacidade de aquecimento declina

gradualmente para Zero BTU/H para 60° F de temperatura do ar exterior.

Como a serpentina de exaustão é a fonte de calor e tem uma taxa de fluxo de ar constante entrando

à temperatura do ar, verificando a taxa de fluxo de líquido, e considerando a temperatura do fluido

(tal como determinado pela válvula), verificados os parâmetros da serpentina, a energia

recuperada deve ser controlada para impedir congelamento na serpentina. Se as serpentinas são

selecionadas para uma eficácia de 50% de calor sensível a Zero ° F OAT, o verdadeiro calor

recuperado é 0,5 x 810.000 = 405.000 Btuh.

Quando a válvula de controle de três vias opera a temperaturas do ar exterior em torno de 20 ° F

ou abaixo, um máximo de 405.000 Btu / H é recuperado. A zero (0 )° F de temperatura de projeto

e calor sensível efetivo de 50% a temperatura de bulbo seco do ar saindo é 35,5 ° F (= 405,000 /

{10.000 x 1,08)), portanto a saída de ar a 75° F é arrefecida para 37,5° F.

Exemplo 2 - Ilustra a capacidade de um sistema típico com glicol

Condições de projeto

- Insuflamento 20.000 CFM, 95°F/82°F Verão, Inverno 10°F

- Exaustão 20.000 CFM, 72°F (50% UR) durante todo o ano

- serpentina com máxima queda de pressão de ar 1,5mH2O

- Etileno Glicol 25%

Para simplicidade de insuflamento e exaustão, os dutos são do mesmo tamanho, mas muitas vezes

eles podem não ser idênticos.

Qual a energia que pode ser retirada de 20.000CFM para resfriar de 72°F/50%UR para 10°F

Obtendo a entalpia dos dois pontos na carta psicrométrica e subtraindo um do outro obteremos:

20.000CFM TBS72°F/50%UR para 10°F TBS = 2010950BTU/H.


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Agora é necessário decidir quanta energia será recuperada. Em média esse valor está entre 30% e

60%. Utilizaremos 40%.

Temperatura que passa entre as serpentinas

Tipicamente o DT está entre 5 a 15°. Quanto menor a diferença maior a necessidade de vazão.

Maior vazão representará aumento da potência da bomba e das linhas hidráulicas, entretanto

produzirão uma boa recuperação de calor. Escolheremos 10° de diferencial de temperatura.

Vazão

Q= RECUPERAÇÃO DE ENERGIA x VAZÃO x DIFERENÇA DE TEMPERATURA,

logo

BTU/H= % x GPM x DT

0.40 x 2016000 = 450* x GPM x 10

*450 para Etileno Glicol ou 500 para água

0.40 x 2016000 = 450* x GPM x 10 GPM = 179.

Portanto:

Vazão de etileno glicol 179 GPM

Calor recuperado 2010950BTU/H

Esses dados devem ser informados ao fabricante do equipamento para que dimensione os

trocadores de calor.

A seguir são apresentadas informações de um fabricante do Brasil, que permite o

dimensionamento de vasta gama de trocadores de calor.


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12. SELEÇÃO DE SERPENTINAS ALETADAS


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13. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

Construídas em tubos paralelos de cobre fosforoso sem costura, Ø 1/2pol, 3/8pol ou Ø 5/8pol,

paredes de 0m40, 0,50 ou 0,79mm, expandidos mecanicamente para perfeito contato com aletas de

alumínio de 0,18mm de espessura, do tipo alto ganho providas de corrugado profundo e bordas

serrilhadas, com colarinhos isentos de rachaduras, fixadas aos tubos por meio de expansão

mecânica, com no mínimo 8 aletas por polegada e 12/pol no máximo).

Cabeceiras e laterais em chapas de alumínio com furos de passagem para tubos no formato tipo

colarinho repuxado, providas de tubos coletores e distribuidores de água gelada, robinete de

expurgo do ar e dreno.

Coletores em tubos de cobre ou de aço SAE 1020, com conexões de entrada e saída.

O número de filas ("rows") em profundidade varia dependendo do projeto, no mínimo dois. Os

headers de entrada e saída da água gelada ou etileno glicol são normalmente de cobre e as

conexões hidráulicas de entrada e saída da água gelada são localizadas do mesmo lado.

Normalmente a velocidade do ar na face nas serpentinas é de no máximo de 2,0m/s.

14. CONTROLE

O controle de fluído de transferência é feito por meio dos seguintes elementos de controle:

1. Válvulas de controle de água gelada, ou etileno glicol, três vias, PID

2. Válvula de balanceamento

3. Sensor de temperatura de ar PID

4. Sensor de temperatura de água PID

15. MANUTENÇÃO

A manutenção adequada de serpentinas de arrefecimento é um fator crítico. Com o tempo de uso,

as serpentinas vão ficando mais sujas e desgastadas, reduzindo a circulação total e tornando mais

difícil atingir a temperatura desejada. A corrosão também é grande problema, pois acomete toda a

estrutura da serpentina e gera vazamentos.

Muitas substâncias utilizadas existentes nas superfícies das serpentinas arrefecimento são tóxicas e

podem representar um perigo para a saúde caso não sejam submetidas a um criterioso programa de

manutenção periódica.


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16. ESQUEMA DE INSTALAÇÃO


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17. CONCLUSÕES E COMENTÁRIOS

Com base nos conceitos de termodinâmica e transmissão de calor, conseguimos analisar o ciclo de

climatização entender a aplicabilidade um sistema Run-around Coil,

Verificamos que a eficiência do sistema é algo que também merece análise do engenheiro

projetista para considerar ou não sua implantação no projeto

Observamos que os sistemas Run-around Coil embora não sejam altamente eficientes, estão

alinhados aos conceitos de sustentabilidade, portanto a conceituação de projetos com este perfil

poderá invariavelmente contribuir para um mundo sustentável.

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