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refrigeração ar condicionado carta psicometrica
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LEONARDO SOUSA CARVALHO
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CARGA TÉRMICA
DETALHADA E SIMPLIFICADA PARA CLIMATIZAÇÃO
AMBIENTAL
Salvador 2009
LEONARDO SOUSA CARVALHO
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CARGA TÉRMICA
DETALHADA E SIMPLIFICADA PARA CLIMATIZAÇÃO
AMBIENTAL
Trabalho de conclusão de curso apresentado à disciplina ENG034 – Trabalho de Conclusão de Curso, Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Marcelo José Pirani
Salvador 2009
TERMO DE APROVAÇÃO
LEONARDO SOUSA CARVALHO
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE CARGA TÉRMICA DETALHADA E
SIMPLIFICADA PARA CLIMATIZAÇÃO AMBIENTAL
Trabalho de conclusão de curso aprovado como requisito parcial para obtenção do título de engenheiro mecânico, Universidade Federal da Bahia, pela seguinte banca examinadora:
_______________________________________________________ Marcelo José Pirani – Orientador
Doutor em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá, UNIFEI, Brasil. Engenheiro Mecânico, Universidade Federal da Bahia – UFBA
_______________________________________________________ Thamy Cristina Hayashi
Doutora em Engenharia Mecânica, Instituto Superior Técnico, Portugal. Engenheira Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
_______________________________________________________
Abel Ribeiro de Jesus Mestre em Administração Profissional – UFBA Doutorando em Engenharia Industrial – UFBA
Engenheiro Mecânico, Universidade Federal da Bahia – UFBA
Salvador, 15 de dezembro de 2009
A
Meus Pais e meu irmão, que me apoiaram desde o início do curso, me
suportando e me ajudando no que eu precisava e me levando a mais uma vitória
na minha vida.
AGRADECIMENTOS
Por ordem de prioridade...
A Deus, por ter me ajudado em mais uma etapa de minha vida, me levando a
conclusão desde trabalho.
A meus pais, por terem sido o suporte ao longo de toda a minha vida, seja nos
momentos tristes ou alegres.
A meu irmão, por estar sempre disposto a me ajudar em todas as áreas da minha
vida, sendo um irmão fiel e companheiro.
Ao pessoal da igreja, que me ajudou de forma direta e indireta em todas as
etapas de minha vida.
Aos amigos que formei na universidade, que mutuamente fomos crescendo e
amadurecendo ao longo da vida acadêmica em especial: Fábio Campos, Bruno
Bittencourt, Leonardo Pimentel, Overlach Campos e Marcelo Dantas.
Ao professor orientador Marcelo José Pirani por transmitir seus conhecimentos
acadêmicos para me orientar neste trabalho de conclusão de graduação de curso
em Engenharia Mecânica.
RESUMO
Este trabalho compara a carga térmica detalhada e simplificada para climatização ambiental cujo estudo de caso é um quarto residencial. A metodologia empregada no trabalho é baseada inicialmente em uma revisão bibliográfica sobre os princípios que envolvem a refrigeração e ar condicionado. Posteriormente fez-se um cálculo detalhado do dimensionamento da carga térmica do recinto com dados referentes ao Manual da Carrier e da Norma NBR 16401, com enfoque em condicionamento de ar para aparelhos de janela e parede. Também foram feitos os cálculos por outros três métodos, porém mais simplificados e com menos parâmetros de entrada. O primeiro conforme o catálogo de aparelhos de janela, o segundo retirado do site da Carrier, chamado de dimensionador virtual e o terceiro retirado do site da Inovar Ar Condicionado. Por último fez a análise dos resultados obtidos variando o número de pessoas para todos os métodos e concluiu-se que para o ambiente estudado o método simplificado, cujos resultados mais se aproximam do método detalhado, foi o método do dimensionador virtual. Palavras-chave: Carga térmica. Métodos de cálculo. Ar Condicionado.
ABSTRACT
This review compares the detailed and simplified thermal charge for environmental acclimatization from a residential room. The methodology in this case study is an initial bibliographic review about the principles of air-conditioning and refrigeration. Lately a calculation based on Carrier Manual and NBR 16401 (air-conditioning and windows and walls devices) show us a thermal charge detailed from the residential room. Also, three more simplified calculations were used in this study of case(first from a window device catalog, second from Carrier web site called “Dimensionador Virtual” and third from Inova Ar Condicionado web site). At last, the results were analyzed and concluded that the simplified method was the method of “Dimensionador virtual”. Key-words: Thermal charge. Calculation method. Air Conditioning.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Carga térmica x Hora solar ..............................................................................49
Tabela 2 – Dados para seleção do equipamento.............................................................54
Tabela 3 – Cargas térmicas calculadas através dos diferentes métodos ....................61
Tabela 4 – Aparelhos selecionados....................................................................................61
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Diagrama de Mollier ...........................................................................................18
Figura 2 – Mecanismos de transferência de calor ...........................................................19
Figura 3 – Transferência de calor por condução: a) Placas planas b) Cilindro...........19
Figura 4 – Carta psicrométria ..............................................................................................23
Figura 5 – Fatores que afetam o conforto térmico ...........................................................24
Figura 6 – Sistema de refrigeração.....................................................................................26
Figura 7 – Diagrama de Mollier do sistema de refrigeração...........................................26
Figura 8 – Funcionamento do compressor alternativo (esquerda) e de palhetas (direita).....................................................................................................................................28
Figura 9 – Processo de compressão no ciclo teórico ......................................................28
Figura 10 – Condensador duplo tubo (esquerda) e condensador carcaça e tubo (direita).....................................................................................................................................29
Figura 11 – Processo de troca térmica no condensador.................................................30
Figura 12 – Evaporador carcaça e tubo.............................................................................30
Figura 13 – Processo de troca térmica no evaporador ...................................................31
Figura 14 – Válvula de expansão termostática.................................................................32
Figura 15 – Válvula de bóia .................................................................................................32
Figura 16 – Processo no dispositivo de expansão...........................................................32
Figura 17 – Sistema de ar condicionado padrão ..............................................................34
Figura 18 – Carta psicrométrica e fator de calor sensível (FCS) ...................................40
Figura 19 – Representação esquemática do “by-pass” de ar ........................................41
Figura 20 – Sistema de ar condicionado padrão ..............................................................43
Figura 21 – Local do recinto de estudo de caso...............................................................45
Figura 22 – Dimensões do recinto ......................................................................................46
Figura 23 – Condições do ar exterior .................................................................................51
Figura 24 – Condições internas do recinto ........................................................................52
Figura 25 – Sistema de ar condicionado do estudo de caso..........................................54
Figura 26 – Cálculo de carga térmica simplificado...........................................................56
Figura 27 – Dimensionador Virtual .....................................................................................57
Figura 28 – Dimensionador Virtual para 5 pessoas .........................................................58
Figura 29 – Cálculo da Carga térmica pelo Inovar Ar Condicionado ............................59
Figura 30 – Cálculo da Carga térmica pelo Inovar Ar Condicionado para 5 pessoas59
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...................................................................................................12
2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ........................................................................14
2.1 INTRODUÇÃO............................................................................................14
2.2 DEFINIÇÕES ..............................................................................................14
2.3 1ª LEI DA TERMODINÂMICA.....................................................................16
2.4 DIAGRAMA DE MOLLIER ..........................................................................18
2.5 PRINCÍPIOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR.......................................18
2.5.1 Transferência de calor por condução ..............................................19
2.5.2 Transferência de calor por convecção ............................................20
2.5.3 Transferência de calor por radiação ................................................21
2.5.4 Coeficiente global de transferência de calor...................................21
2.6 PSICROMETRIA.........................................................................................22
2.6.1 Definições fundamentais...................................................................22
2.6.2 Carta Psicrométrica ...........................................................................23
2.7 CONFORTO TÉRMICO ..............................................................................24
2.7.1 Conceito .............................................................................................24
2.7.2 Fundamento teórico ..........................................................................24
3 O SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO ...................................................................26
3.1 INTRODUÇÃO............................................................................................26
3.2 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR...............27
3.3 COMPONENTES DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO .............................27
3.3.1 Compressores....................................................................................27
3.3.2 Condensadores..................................................................................29
3.3.3 Evaporadores .....................................................................................30
3.3.4 Dispositivos de expansão.................................................................31
4 CARGA TÉRMICA E SELEÇÃO DO AR CONDICIONADO .............................33
4.1 INTRODUÇÃO............................................................................................33
4.2 TEMPERATURA DE BULBO SECO, ÚMIDO e UMIDADE RELATIVA ......34
4.3 TRANSMISSÃO DE CALOR PELA INSOLAÇÃO.......................................35
4.4 TRANSMISSÃO DE CALOR NA PAREDE EXTERNA E TELHADO..........36
4.5 TRANSMISSÃO DE CALOR NO VIDRO, PAREDE E PISO INTERNOS...37
4.6 ILUMINAÇÃO..............................................................................................37
4.7 CARGA DE OCUPANTES ..........................................................................38
4.8 CARGA DE MOTORES ELÉTRICOS.........................................................38
4.9 EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS.............................................................38
4.10 CALOR DO AR EXTERIOR PARA RENOVAÇÃO......................................39
4.11 VAZÃO DE AR INSUFLADO NA SALA ......................................................40
4.12 POTÊNCIA FRIGORÍFICA..........................................................................41
4.13 FATOR DE BY-PASS E TADP ......................................................................41
4.14 REPRESENTAÇÃO DOS PROCESSOS NO SISTEMA DE AR CONDICIONADO ..................................................................................................43
5 ESTUDO DE CASO: COMPARATIVO ENTRE CARGA TÉRMICA DETALHADA E SIMPLIFICADA ..............................................................................45
5.1 DADOS DO RECINTO................................................................................45
5.2 DETERMINAÇÃO DA CARGA TÉRMICA DETALHADA............................46
5.2.1 Carga térmica devido à diferença de temperatura no recinto........47
5.2.2 Carga térmica devido à iluminação..................................................49
5.2.3 Carga térmica devido a equipamentos eletrônicos ........................49
5.2.4 Carga térmica devido à quantidade de pessoas.............................49
5.2.5 Calor sensível total no recinto..........................................................50
5.2.6 Calor latente total no recinto ............................................................50
5.2.7 Carga térmica associada à vazão de ar exterior para renovação..51
5.2.8 Carga térmica total do recinto ..........................................................52
5.2.9 Cálculo da vazão de ar ......................................................................53
5.2.10 Determinação do ponto de mistura..................................................53
5.2.11 Determinação do Fator de By-pass..................................................53
5.2.12 Dados para seleção do equipamento...............................................54
5.2.13 Carga térmica variando o número de pessoas ...............................54
5.3 DETERMINAÇÃO DA CARGA TÉRMICA SIMPLIFICADA.........................56
5.3.1 Método proposto no pelo catálogo da Carrier ................................56
5.3.2 Método pelo dimensionador virtual .................................................57
5.3.3 Método proposto na página da Inovar Ar Condicionado ...............58
6 ANÁLISE DOS RESULTADOS .........................................................................60
7 CONCLUSÃO ....................................................................................................62
REFERÊNCIAS.........................................................................................................64
APÊNDICE A – Cálculo da carga térmica no EES ................................................66
APÊNDICE B – Sistema de ar condicionado do estudo de caso ........................68
ANEXO A – Tabelas do Manual da Carrier ............................................................69
ANEXO B – Tabela da NBR 16401..........................................................................74
ANEXO C – Tabelas extraídas de PIRANI, 2004....................................................75
12
1 INTRODUÇÃO
O sistema de condicionamento de ar tem fundamental importância na vida
humana, pois está vinculado ao conforto térmico do homem.
Segundo o “site” (http://www.historiadetudo.com/ar-condicionado.html),
durante muito tempo, o homem pensou em maneiras de amenizar os efeitos do
calor. Invenções mais antigas, como ventiladores, abanadores e até o uso do gelo
em larga escala faziam parte dos métodos para amenizar a temperatura em um
ambiente. No início da década de 90, em Nova York, a empresa Sackett-Wilhelms
Lithography and Publishing Co viu que seu trabalho ficava prejudicado no verão,
pois o calor fazia com que os papéis absorvessem a umidade do ar, tornando as
escritas borradas e escuras. Assim, a empresa contratou o engenheiro formado pela
Universidade de Cornell, Willis Carrier, para desenvolver uma forma de solucionar a
situação. O engenheiro desenvolveu, em 1902, um processo que resfriava o ar,
fazendo-o circular por dutos resfriados artificialmente, o que também era capaz de
reduzir a umidade. Este foi o primeiro ar-condicionado contínuo por processo
mecânico da história.
O dimensionamento da carga térmica de ar condicionado é baseado na zona
de conforto térmico humano. Sendo assim, foram criadas normas e manuais para tal
dimensionamento (CARRIER AIR CONDITIONINIG COMPANY, ABNT NBR 16401,
entre outros), sendo um cálculo de grande complexidade devido à existência de
muitas variantes para cada recinto a ser climatizado. Devido a estas variantes,
provocando uma demanda de tempo para determinar a carga térmica necessária
para cada ambiente, os catálogos dos equipamentos de ar condicionado passaram a
fornecer um cálculo mais simplificado, direto e funcional, que permitiu assim uma
aceleração no processo de determinação da carga térmica.
O tema abordado neste trabalho surgiu, devido ao autor do trabalho de
conclusão de curso já ter estagiado na área de refrigeração e ar condicionado por
um período de 10 meses na empresa “Casa do Ar”. Também pelo fato do tema
escolhido ter sido aproveitado durante o curso de Engenharia Mecânica e
consequentemente, ter transmitido um grande interesse tanto para o autor do
trabalho acadêmico, quanto para o orientador.
Este trabalho tem por objetivo comparar os resultados obtidos do
dimensionamento da carga térmica de um recinto das duas formas abordadas
13
anteriormente (detalhada e simplificada), baseadas no (CARRIER AIR
CONDITIONING COMPANY, 1983), nos catálogos, no dimensionador virtual da
Carrier e do site da Inovar Ar Condicionado para ser observado se existem
imprecisões nos cálculos simplificados, bem como as vantagens e desvantagens de
sua utilização.
A metodologia empregada no trabalho se baseia em inicialmente aplicar as
revisões bibliográficas sobre os princípios que envolvem a refrigeração e ar
condicionado, posteriormente estima-se a carga térmica por duas abordagens:
detalhada e simplificada, para um quarto residencial para 2 e 5 pessoas. O método
detalhado é feito pelo (CARRIER AIR CONDITIONING COMPANY, 1983), já os
simplificados são feitos pelo catálogo da Carrier, dimensionador virtual da Carrier e
pelo “site” da Inovar Ar Condicionado. Em seguida, fizeram-se as análises dos
resultados obtidos em todos os métodos e obtiveram-se as conclusões necessárias
para o trabalho.
O capítulo 2 abordará todo embasamento teórico que circunda os cálculos da
carga térmica, definições importantes para a área de refrigeração e ar condicionado
(fundamentos da termodinâmica, transferência de calor, psicrometria). Já o capítulo
3 mostrará o funcionamento de todo o sistema de refrigeração, bem como seus
equipamentos, ciclo de refrigeração, entre outros.
Por conseguinte, no capítulo 4 desenvolver-se-á todos os cálculos
necessários para a estimativa da carga térmica de qualquer ambiente (carga térmica
devido à iluminação, troca térmica nas paredes, seleção do aparelho de ar
condicionado, entre outros). O capítulo 5 traz o estudo de caso para um determinado
recinto, com todos os seus cálculos desenvolvidos para o dimensionamento
detalhado. No capítulo 6, é realizado o cálculo da carga térmica por três métodos
simplificados, pelo catálogo de aparelho de janela, pelo dimensionador virtual da
Carrier e pelo “site” da Inovar Ar Condicionado.
No capitulo 7 é feita a análise dos resultados obtidos dos capítulos 5 e 6
analisando os custos da seleção do equipamento, enquanto que o capítulo 8 traz as
conclusões das análises obtidas.
Depois dos capítulos, são apresentadas as referências utilizadas para a
produção do trabalho e os anexos com as tabelas do Manual da Carrier, o
psicrométrico do estudo de caso, a tabela retirada de (PIRANI, 2004) e a tabela da
NBR 16401.
14
2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS
2.1 INTRODUÇÃO
Para a estimativa da carga térmica detalhada de ar condicionado, pelo
manual da Carrier, é necessário entender alguns conceitos fundamentais, esses
conceitos envolvem os fundamentos da termodinâmica (1ª lei da termodinâmica) e
os fundamentos da transferência de calor (condução, convecção e radiação).
2.2 DEFINIÇÕES Antes de serem definidos os fundamentos envolvidos no cálculo, algumas
definições são de extrema importância para o entendimento. Segundo (MARQUES,
2006), tem-se as seguintes definições:
• Propriedades termodinâmicas - São características macroscópicas
de um sistema, como: volume, massa, temperatura, pressão etc.
• Estado Termodinâmico - Pode ser entendido como sendo a condição
em que se encontra a substância, sendo caracterizado pelas suas propriedades.
• Processo - É uma mudança de estado de um sistema. O processo
representa qualquer mudança nas propriedades da substância. Uma descrição de
um processo típico envolve a especificação dos estados de equilíbrio inicial e final.
• Ciclo - É um processo, ou mais especificamente uma série de
processos, onde o estado inicial e o estado final do sistema (substância) coincidem.
• Substância Pura - É qualquer substância que tenha composição
química invariável e homogênea. Ela pode existir em mais de uma fase (sólida,
líquida e gasosa), mas a sua composição química é a mesma em qualquer das
fases.
• Temperatura de saturação - O termo designa a temperatura na qual
se dá a vaporização de uma substância pura a uma dada pressão. Essa pressão é
chamada pressão de saturação para a temperatura dada. Assim, para a água
(utiliza-se a água para facilitar o entendimento da definição dada acima) a 100 ºC, a
pressão de saturação é de 1,01325 bar. Para uma substância pura há uma relação
definida entre a pressão de saturação e a temperatura de saturação correspondente.
15
• Líquido Saturado - Se uma substância se encontra como líquido à
temperatura e pressão de saturação, diz-se que ela está no estado de líquido
saturado.
• Líquido Sub-resfriado - Se a temperatura do líquido é menor que a de
saturação, para a pressão existente, o líquido é chamado de líquido sub-resfriado
(significa que a temperatura é mais baixa que a de saturação para a pressão dada),
ou líquido comprimido, (significando ser a pressão maior que a pressão de saturação
para a temperatura dada).
• Título (x) - Quando uma substância se encontra parte líquida e parte
vapor, na temperatura de saturação (isto ocorre, em particular, nos sistemas de
refrigeração, no condensador e no evaporador), a relação entre a massa de vapor e
a massa total, isto é, a massa de líquido mais a massa de vapor, é chamada de título
(x).
• Vapor Saturado - Se uma substância se encontra completamente
como vapor na temperatura de saturação, é chamado de vapor saturado, e neste
caso o título é igual a 1 ou 100%, pois a massa total é igual à massa de vapor.
• Vapor Superaquecido - Quando o vapor está a uma temperatura
maior que a temperatura de saturação é chamado vapor superaquecido. A pressão e
a temperatura do vapor superaquecido são propriedades independentes, e neste
caso, a temperatura pode ser aumentada para uma pressão constante. Em verdade,
as substâncias que são chamadas de gases são vapores altamente superaquecidos.
• Volume de controle – O tamanho e a forma do volume de controle
são arbitrários e podem ser definidos de modo que a análise a ser feita seja a mais
simples possível. A superfície do volume de controle pode ser fixa ou móvel,
entretanto, o movimento desta deve ser referenciado em relação a algum sistema de
coordenadas. (WYLEN, 2003).
Massa, calor e trabalho podem atravessar a superfície de controle, e a massa
contida no volume de controle, bem como suas propriedades, podem variar ao longo
do tempo (WYLEN, 2003).
16
2.3 1ª LEI DA TERMODINÂMICA A 1ª lei da termodinâmica engloba propriedades físicas indispensáveis para
sua definição, essas propriedades são: temperatura, pressão, volume específico,
massa específica, energia interna e entalpia.
As definições de energia interna e entalpia podem ser definidas segundo
(MARQUES, 2006):
Energia Interna (u). É a energia que a matéria possui devido ao movimento
e/ou forças intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas
partes:
a) Energia cinética interna: relacionada à velocidade das moléculas;
b) Energia potencial interna: relacionada às forças de atração entre as
moléculas.
As mudanças na velocidade das moléculas são identificadas,
macroscopicamente, pela alteração da temperatura da substância (sistema),
enquanto que as variações na posição são identificadas pela mudança de fase da
substância (sólido líquido ou vapor).
Entalpia (h). Na análise térmica de alguns processos específicos,
freqüentemente são encontradas certas combinações de propriedades
termodinâmicas. Uma dessas combinações ocorre quando se tem um processo a
pressão constante, resultando a combinação u + pv. Assim é conveniente definir
uma nova propriedade termodinâmica chamada entalpia, a qual é representada pela
letra h. Matematicamente, tem-se:
pvuh += (2.1)
A primeira lei da termodinâmica estabelece que, durante qualquer ciclo
percorrido por um sistema, a integral cíclica do calor é proporcional a integral cíclica
do trabalho (WYLEN, 2003), ou seja, se baseia no “princípio da conservação de
energia” dentro de um sistema termodinâmico.
De acordo com (WYLEN, 2003), o balanço de energia estabelece que, para
um determinado intervalo de tempo, o somatório dos fluxos de energia entrando no
volume de controle, é igual ao somatório dos fluxos de energia saindo do volume de
controle mais a variação da quantidade de energia armazenada pelo mesmo,
durante o intervalo de tempo considerado. Matematicamente, tem-se:
17
t
EEE vc
saient
∆
∆+=∑∑
..
(2.2)
Sendo:
Eent – energia que entra no volume de controle;
Esai – energia que sai do volume de controle;
Evc – energia armazenada no volume de controle;
∆t – intervalo de tempo considerado.
É importante ressaltar que, do ponto de vista termodinâmico, a energia é
composta de energia cinética (Ec), energia potencial (Ep) e energia interna (U). A
energia cinética e a energia potencial são dadas pelas equações (2.3) e (2.4),
respectivamente, e, conforme mencionado anteriormente, a energia interna está
associada ao movimento e/ou forças intermoleculares da substância em análise
(WYLEN, 2003).
2
²mvEc = (2.3)
mgzE p = (2.4)
Onde:
m – Massa do sistema;
v – Velocidade do sistema.
g – Aceleração da gravidade;
z – Cota (elevação) com relação a um referencial adotado para o sistema.
Entre as formas de energia que podem atravessar a fronteira de um volume de
controle, isto é, entrar ou sair do volume de controle, estão incluídos os fluxos de
calor (,
Q ), os fluxos de trabalho (.
W ) e os fluxos de energia associados à massa
atravessando estas fronteiras. Uma quantidade de massa em movimento possui
energia potencial e energia cinética. Além disso, como geralmente o fluxo mássico
(.
m ) é gerado por uma força motriz, há uma outra forma de energia associada ao
fluxo, a qual está relacionada com a pressão. Esta última forma de energia é
chamada de trabalho de fluxo, sendo dada pelo produto da pressão pelo volume
específico do fluído. Assim, após algumas simplificações, a primeira lei da
termodinâmica pode ser escrita como (WYLEN, 2003):
18
∑∑∑∑ +
++=
+++
....
2
²
2
²Wgz
vhmgz
vhmQ
saient
(2.5)
2.4 DIAGRAMA DE MOLLIER Segundo (MARQUES, 2006), as propriedades termodinâmicas de uma
substância são freqüentemente apresentadas, além das tabelas, em diagramas que
podem ter por ordenada e abscissa, temperatura e entropia, entalpia e entropia,
pressão absoluta e volume específico ou pressão absoluta e entropia.
O diagrama de Mollier apresenta em sua abscissa a entalpia (h) e na sua
ordenada a pressão absoluta (P), sendo utilizadas para representar as propriedades
de fluidos frigoríficos, pois representa de forma clara o ciclo termodinâmico de
refrigeração, mostrando o estado físico do fluido em cada etapa do ciclo. Na figura 1
pode-se ver a representação do diagrama de Mollier e as regiões dos diferentes
estados físicos e suas propriedades.
Figura 1 – Diagrama de Mollier
Fonte: Pirani, 2004
2.5 PRINCÍPIOS DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR Para cálculo da carga térmica, é importante o conhecimento dos princípios de
transferência de calor.
19
Calor é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperaturas
no espaço (INCROPERA, 2008). Essa transferência de calor pode ser de três tipos:
condução, convecção e radiação. A figura 2 mostra os três tipos de transferência de
calor.
Figura 2 – Mecanismos de transferência de calor
Fonte: Incropera, 2008
2.5.1 Transferência de calor por condução Quando existe um gradiente de temperatura em um meio estacionário, que
pode ser um sólido ou fluido, a transferência de calor ocorre por condução
(INCROPERA, 2008). A condução pode ser vista como a transferência de energia
das partículas mais energéticas para as menos energéticas de uma substância
devido às interações entre partículas (INCROPERA, 2008). A figura 3 mostra dois
tipos de superfícies ocorrendo transferência de calor por condução.
Figura 3 – Transferência de calor por condução: a) Placas planas b) Cilindro
Fonte: Incropera, 2008
20
Para o cálculo da transmissão de calor por condução, para placas planas e
cilindro, tem:
x
TkAQ
∆
∆−=
.
(Placas planas) (2.6)
∆=
1
2
.
ln
2
rr
TkLQ π (Cilindros) (2.7)
Sendo:
.
Q – fluxo de calor [W];
k – condutividade térmica [W/m.k];
A – área normal ao fluxo de calor [m²];
T∆ – diferença de temperatura [K];
x∆ – espessura da placa [m];
1r – raio interno do cilindro [m];
2r – raio externo do cilindro [m];
L – comprimento do cilindro [m]
2.5.2 Transferência de calor por convecção A convecção se refere à transferência de calor que ocorre entre uma
superfície e um fluido em movimento quando eles estiverem a diferentes
temperaturas (INCROPERA, 2008). A convecção abrange dois mecanismos, o
primeiro é a transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório e o
segundo é devido ao movimento global (macroscópico) do fluido.
O tratamento tradicional para os problemas envolvendo convecção consiste
em definir um coeficiente de transferência de calor por convecção, ou somente
coeficiente de convecção (h), de tal forma que se tenha a seguinte equação
(INCROPERA, 2008):
TAhQ ∆= ...
(2.8)
Sendo:
.
Q – o fluxo de calor [W];
A – área normal ao fluxo de calor [m²];
21
T∆ – diferença de temperatura [K];
h – coeficiente de convecção [W/m².K].
2.5.3 Transferência de calor por radiação De acordo com (INCROPERA, 2008), todas as superfícies com temperatura
não nula emitem energia na forma de ondas eletromagnéticas, Desta forma, na
ausência de um meio interposto participante, há transferência de calor líquida, por
radiação, entre duas superfícies a diferentes temperaturas.
Segundo (INCROPERA, 2008), a transferência de calor por radiação se dá
como resultado do deslocamento de fótons de uma superfície para outra. Ao atingir
uma superfície, esses fótons podem ser absorvidos, refletidos ou transmitidos. A
energia irradiada por uma superfície é definida em termos do seu poder emissivo, o
qual, para um radiador perfeito (corpo negro), é dado pela equação (2.9), onde T é a
temperatura do corpo e σ é a constante de Stefan-Boltzman (5,669 x 10-8 W/m².K4).
O calor trocado entre duas superfícies pode ser calculado pela seguinte
fórmula: 4
TEn σ= (2.9)
)(4
2
4
121
.
TTAQ −=→
σε (2.10)
Sendo:
ε – emissividade
1T – temperatura da superfície
2T – temperatura da superfície vizinhança
A – área da superfície
2.5.4 Coeficiente global de transferência de calor Um parâmetro importante que será usado para o cálculo da carga térmica é o
coeficiente global de transferência de calor (U), é um fator que facilita cálculo da
transferência de calor, pois quando há uma combinação de troca térmica por
condução e convecção, este parâmetro associa esta combinação, segundo a
equação (2.11), abaixo:
22
TUAQ ∆=.
(2.11)
2.6 PSICROMETRIA
2.6.1 Definições fundamentais
De acordo com (PIZZETI,1970), a psicrometria é o estudo das misturas de ar e
de vapor de água. Nos sistemas de ar condicionado o ar não pode ser considerado
seco, mas sim como uma mistura de ar e de vapor d’água, resultando daí a
importância da psicrometria. Em alguns processos a água é removida do ar,
enquanto em outros é adicionada.
A psicrometria possui parâmetros essenciais para o cálculo da carga térmica
que, a partir deles podem definir a zona de conforto térmico humano. Esses
parâmetros são:
• Pressão parcial – a pressão que ele exerceria se ocupasse sozinho um
volume igual ao da mistura, na mesma temperatura.
• Ar seco – é a mistura de todos os gases do ar atmosférico, com exceção do
vapor d’água.
• Ar não saturado e ar saturado – ar não saturado é a mistura de ar seco e
vapor de água superaquecido, e ar saturado é a mistura de ar seco e de vapor de
água saturado.
• Umidade absoluta – é definida como a razão entre a massa de vapor e a
massa de ar seco.
• Umidade relativa – é definida como a relação entre a pressão parcial do
vapor de água na mistura e a pressão de saturação correspondente à temperatura
da mistura.
• Entalpia específica do ar úmido – a entalpia de uma mistura de gases é
igual à soma das entalpias dos componentes da mistura. Assim, para o ar úmido, a
entalpia é igual à soma das entalpias do ar seco e do vapor de água.
• Volume específico do ar úmido – é definido como a razão entre o volume da
mistura em m³ e a massa de ar seco em kg.
• Temperatura de bulbo seco – é a temperatura indicada por um termômetro
comum, não exposto à radiação.
23
• Temperatura de bulbo úmido – Se o bulbo de um termômetro for coberto
com uma mecha de algodão saturado com água, a sua temperatura descerá
primeiro rapidamente e depois lentamente até atingir um ponto estacionário. A leitura
neste ponto é chamada de temperatura de bulbo úmido do ar.
• Temperatura de orvalho – é a temperatura na qual o vapor de água se
condensa, ou solidifica, quando resfriado a pressão e umidade absoluta constante.
2.6.2 Carta Psicrométrica
A carta psicrométrica é a representação gráfica dos parâmetros mencionados
anteriormente, sendo de extrema importância para a visualização da zona de
conforto térmico para o condicionamento do ar, e assim, definir o ciclo de ar
condicionado. A figura 4 apresenta uma carta psicrométrica.
Figura 4 – Carta psicrométria Fonte:Manual da Carrier, 1983
24
2.7 CONFORTO TÉRMICO
Para determinação da carga térmica necessária para o ambiente em estudo, é
necessário entender o conceito de conforto térmico e seu fundamento.
2.7.1 Conceito
De acordo com (PIZZETI, 1970) conforto térmico é definido como condições
ambientais de temperatura e umidade que proporcionam sensação de bem-estar às
pessoas que ali estão. Na figura 5 pode-se ver os fatores que influenciam o conforto
térmico humano
Figura 5 – Fatores que afetam o conforto térmico
Fonte: PIZZETI, 1970
2.7.2 Fundamento teórico
A zona de conforto térmico a ser definida, é de extrema dificuldade, pois
depende de parâmetros de sensação de conforto que variam em relação ao
25
indivíduo e ao ambiente em que ele vive dificultando definir o limite entre o
desconforto e conforto humano.
Existem, atualmente, vários índices ou critérios que estimam a região de
conforto térmico, sendo estimados por pesquisadores estrangeiros e brasileiros, que
procuram buscar a zona ideal de conforto térmico para o brasileiro, dentre deles tem-
se: Diagrama Bioclimático dos Irmãos Olgyay, as Zonas de Conforto de Givoni e a
Norma ASHARE 55.
Basicamente o conforto térmico é afetado pelos seguintes fatores:
temperatura, umidade, circulação do ar, radiação de superfícies vizinhas, odores,
poeiras e ruído.
Já os parâmetros básicos de condicionamento de ar são: temperatura do ar,
temperatura das superfícies circundante, umidade do ar e velocidade do ar e pureza
do ar.
26
3 O SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO
3.1 INTRODUÇÃO Um sistema de refrigeração tem por objetivo a retirada de calor de um
determinado ambiente, produto ou pessoa através da troca de calor entre o ar ou
água que se encontra no meio a ser refrigerado e o fluido refrigerante que se
encontra no ciclo de refrigeração.
O processo de transferência de calor no sistema de refrigeração é obtido
através do ciclo de refrigeração, em que o fluido refrigerante, que passa de forma
contínua na tubulação faz a troca térmica com o ambiente externo. Para tal fato são
necessários alguns componentes essenciais para que o ciclo seja mantido e sempre
haja a troca térmica de calor. Esses componentes são: evaporador, compressor,
condensador e dispositivo de expansão que podem ser vistos na figura 6.
Figura 6 – Sistema de refrigeração
Fonte:PIRANI, 2004.
Figura 7 – Diagrama de Mollier do sistema de refrigeração Fonte: PIRANI, 2004.
27
3.2 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR O ciclo teórico tem por objetivo representar um ciclo ideal que se aproxime do
real para ser usado como comparação. A figura 6, representa o sistema de
refrigeração por compressão de vapor e seus principais componentes, seguido da
figura 7 que é o ciclo teórico representado no plano Pxh do diagrama de Mollier.
Os processos envolvidos no sistema de refrigeração, de acordo com a figura
6, podem ser definidos como:
• Processo 1→2. Esse processo ocorre no compressor em que o vapor
saturado que sai do evaporador passa a ser comprimido no compressor
aumentando a pressão, tornando o vapor superaquecido. Para ocorrer tal
processo é necessário do trabalho externo no compressor.
• Processo 2→3. Esse processo ocorre no condensador, em que o vapor
superaquecido que sai do compressor faz a troca térmica no condensador à
pressão constante, resfriando-se até o ponto 3, chamado de líquido saturado.
• Processo 3→4. Esse processo ocorre no dispositivo de expansão, em que o
líquido saturado vindo do condensador sofre uma diminuição de pressão,
sendo um processo isoentálpico (entalpia constante) e irreversível (entropia
na saída diferente da entrada), saindo na forma de vapor úmido do dispositivo
de expansão.
• Processo 4→1. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência
de calor a pressão constante, conseqüentemente a temperatura constante,
desde vapor úmido (estado 4), até atingir o estado de vapor saturado seco.
3.3 COMPONENTES DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO O sistema de refrigeração é constituído basicamente por 4 componentes
principais, que permitem que o ciclo de refrigeração funcione continuamente. São
eles:
3.3.1 Compressores
A finalidade dos compressores no sistema de refrigeração é de aumentar a
pressão do fluido frigorífico através do trabalho de compressão.
Os compressores são classificados segundo sua forma de compressão
podendo ser: alternativos, scroll, centrífugos, de parafuso e palhetas. São
28
classificados também segundo a sua disposição: herméticos, semi-herméticos e
abertos. Para a escolha do melhor compressor para determinado sistema frigorífico
alguns fatores são levados em consideração como: características do fluido
refrigerante e potência teórica de compressão necessária para atender a carga
térmica do ambiente a ser resfriado. Na figura 8 são mostrados dois tipos de
compressores.
Figura 8 – Funcionamento do compressor alternativo (esquerda) e de palhetas (direita)
Fonte: Stocker, 1985
A potência teórica de compressão, segundo (STOCKER, 1985) é a
quantidade de energia por unidade de tempo que deve ser fornecida ao refrigerante,
no compressor, para se obter a elevação de pressão necessária do ciclo teórico. É
obtida através da aplicação da 1ª lei da termodinâmica no compressor em regime
permanente, considerando um processo adiabático reversível e desconsiderando as
variações de energia cinética e potencial, como pode ser visto na figura 9.
Figura 9 – Processo de compressão no ciclo teórico
Fonte: Pirani, 2004
)( 12 hhmW fc −= & (3.1)
Onde:
cW – Trabalho teórico de compressão
fm& – fluxo de massa do refrigerante no sistema
1h – entalpia na entrada do compressor
29
2h – entalpia na saída do compressor
3.3.2 Condensadores Os condensadores, como o próprio nome diz, têm a função de condensar o
fluido refrigerante que sai do compressor na forma de vapor superaquecido,
transformando-o em líquido saturado ou comprimido, na sua saída.
Os condensadores são trocadores de calor constituídos por serpentinas de
tubos ou placas por onde passa o fluido refrigerante, permitindo a troca de calor
entre o meio em que se encontra o aparelho e o fluido refrigerante.
Estes trocadores de calor podem ser classificados segundo o meio a ser
refrigerado, como condensadores resfriados a ar ou resfriados a água. Também
podem ser classificados segundo a sua disposição, como: condensador de duplo
tubo, carcaça e serpentina, carcaça e tubo, de placa e evaporativos. A aplicação
para cada tipo de condensador depende de fatores como: temperatura de
condensação, temperatura de evaporação, entre outros. A figura 10 apresenta os
condensadores de duplo tubo e de carcaça e tubo.
Figura 10 – Condensador duplo tubo (esquerda) e condensador carcaça e tubo (direita) Fonte: PIRANI, 2004.
O fluxo de calor pode ser determinado através de um balanço de energia no
volume de controle. Assim, considerando o regime permanente, tem-se (PIRANI,
2004):
30
Figura 11 – Processo de troca térmica no condensador
Fonte: PIRANI, 2004
)( 32 hhmQ fc −= & (3.2)
Onde:
cQ – Calor rejeitado pelo fluido refrigerante
3h – entalpia na saída do condensador
3.3.3 Evaporadores
Os evaporadores têm a finalidade de transformar o fluido refrigerante no
estado de vapor úmido em vapor saturado (ou superaquecido), através da troca
térmica entre o fluido refrigerante e o meio a ser refrigerado.
Assim como os condensadores, eles são constituídos de serpentinas de tubos
por onde passa o fluido refrigerante para permitir a troca térmica deste com o meio
em que se encontram os evaporadores.
Podem ser classificados quanto ao sistema de alimentação como secos ou
inundados. Podem ser classificados também quanto ao fluído a resfriar, como:
evaporadores para ar, líquidos e de contato. São também classificados quanto a sua
disposição: carcaça e tubo, carcaça e serpentina, cascata, de placas e de contato. A
figura apresenta um evaporador carcaça e tubo.
Figura 12 – Evaporador carcaça e tubo
Fonte: PIRANI, 2004
31
Para a seleção dos evaporadores os fatores que são levados em
consideração são: temperatura de condensação, temperatura de evaporação, fluido
refrigerante e carga térmica desejada.
A carga térmica desejada no evaporador, usando a 1º lei da termodinâmica,
considerando regime permanente, pode ser determinada considerando a entalpia do
fluido refrigerante, como mostrado na figura 13.
Figura 13 – Processo de troca térmica no evaporador
Fonte: PIRANI, 2004
)( 41 hhmQ fo −= & (3.3)
Onde:
oQ – carga térmica
4h – entalpia na entrada do evaporador
3.3.4 Dispositivos de expansão
Em um sistema de refrigeração, os dispositivos de expansão têm a função de
reduzir a pressão do refrigerante desde a pressão de condensação até a pressão de
vaporização. Outra função desses dispositivos é a de regular a vazão de fluido
refrigerante para atender a carga térmica do ambiente a ser refrigerado.
Os principais tipos de dispositivos de expansão são: válvula de expansão
termostática, válvula de expansão eletrônica, válvula bóia e o tubo capilar. Alguns
deles podem ser vistos nas figuras 14 e 15.
32
Figura 14 – Válvula de expansão termostática
Fonte: PIRANI, 2004
Figura 15 – Válvula de bóia
Fonte: PIRANI, 2004
Nos dispositivos de expansão, para o processo teórico, o volume de controle da
figura 16 é considerado adiabático, ou seja, a energia (entalpia) que entra no
dispositivo é igual à energia que sai, logo, aplicando a 1ª lei da termodinâmica,
desconsiderando a energia potencial e cinética e considerando regime permanente,
se chega na equação (3.4).
Figura 16 – Processo no dispositivo de expansão
Fonte: PIRANI, 2004.
43 hh = (Processo adiabático) (3.4)
Com o sistema de refrigeração definido, com seus componentes principais e
ciclo de refrigeração é possível definir os parâmetros necessários para o cálculo da
carga térmica e para a seleção do equipamento de ar condicionado.
33
4 CARGA TÉRMICA E SELEÇÃO DO AR CONDICIONADO
4.1 INTRODUÇÃO
A estimativa da carga térmica desenvolvida neste trabalho é baseada no Manual
da Carrier (Handbook of Air Conditioning System Design) e na Norma brasileira NBR
16401, que fornece os dados necessários para a estimativa em âmbito nacional das
condições externas e interna ao ambiente a ser estimado. As tabelas utilizadas neste
trabalho do Manual da Carrier e da NBR 16401 (tabela C.1) estão em anexo.
A necessidade de conforto humano e necessidade de condições requeridas de
algum processo ou produto são as funções básicas para o condicionamento de ar.
Primeiramente, devem ser definidas as características do recinto a ser
calculado, que são, em geral, as seguintes:
• Orientação do ambiente (posição geográfica, sombreamento, insolação);
• Tipo de recinto (residencial, escritório, hotel, entre outros);
• Dimensões físicas do ambiente (altura, comprimento e largura);
• Tipo de materiais utilizados (tipos de tijolo, janela, telhado ou laje, entre
outros);
• Condições exteriores (tipo de fachada, cores, sombras);
• Equipamentos (quantidade e potência);
• Pessoas (quantidade, sexo);
• Iluminação (tipo e quantidade);
• Portas (localização e quantidade).
Todos estes aspectos são importantes, pois influenciam diretamente nos fatores
da carga térmica do recinto, que são:
• Temperatura de bulbo seco, úmido e umidade relativa;
• Transmissão de calor pela insolação;
• Transmissão de calor na parede externa e telhado;
• Transmissão de calor no vidro, parede e piso internos;
• Iluminação;
• Carga de ocupantes;
• Carga de motores elétricos;
• Equipamentos eletrônicos;
34
• Calor de ar exterior para renovação.
De acordo com (PIRANI, 2004), de maneira geral, as instalações de ar
condicionado podem ser compostas por: equipamento que promove o
condicionamento do ar, dutos de insuflamento de ar nos recintos, dutos para retorno
do ar dos recintos; dutos de exaustão de ar; e dutos de renovação de ar. Na Figura
17 é apresentado o desenho esquemático de uma instalação de ar condicionado.
Figura 17 – Sistema de ar condicionado padrão
Fonte: PIRANI, 2004.
Para este trabalho, somente serão determinados os dados necessários para a
seleção do equipamento que são: vazão do ar insuflado na sala, potência frigorífica,
fator de by-pass e a temperatura do ponto de orvalho do evaporador (TADP).
4.2 TEMPERATURA DE BULBO SECO, ÚMIDO e UMIDADE RELATIVA
Após definidas as características do recinto, devem ser definidas as
temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido externas e a temperatura de bulbo
seco e umidade relativa do ambiente a ser condicionado.
Para as condições externas utiliza-se a tabela B.1 (em anexo) da norma NBR
16401, que, a partir da região e cidade escolhida definem a TBS e TBU nas
condições externas para verão.
Já as condições internas para verão são definidas pela norma NBR 16401 2ª
parte.
35
4.3 TRANSMISSÃO DE CALOR PELA INSOLAÇÃO
De acordo com (CARRIER, 1983), a radiação solar que chega à superfície
externa, radiação solar extraterrestre, varia ao longo do ano devido à inclinação do
eixo da terra e da variação da distância sol-terra.
A insolação para o ambiente se dá através da presença dos vidros das janelas
no recinto que permitem a entrada da radiação solar no ambiente, essa insolação é
definida pela sigla (It) e pelas tabelas da Manual da Carrier é possível dimensionar o
valor da insolação.
Primeiramente, utilizando a tabela A.2 do Manual da Carrier, se deve entrar com
a latitude em que o ambiente se encontra e a fachada (orientação) em que a janela
com vidro se encontra e escolhendo o maior valor nesta latitude e fachada,
determina-se o valor máximo de It e o mês de maior insolação.
Pela tabela A.3 com a latitude do ambiente, o mês, a orientação do vidro e o
valor da insolação, encontra-se a hora solar de maior insolação. Com este valor de
insolação, compara-se com as insolações para as demais horas para se determinar
a de maior insolação (It).
Depois de encontrado a insolação através dos vidros a uma determinada hora,
se faz à correção da TBS e TBU pela tabela A.1 (em anexo), tendo a variação de
temperatura diária da região em que se encontra o recinto e a hora solar vista
anteriormente, determina-se o fator de correção do TBS e TBU. Outra correção se
faz também pela tabela A.3 (em anexo), com janelas com esquadria de alumínio,
poluição, neblina, altitude, ponto de orvalho e se for latitude sul no mês de dezembro
ou janeiro.
Definida a insolação, calcula-se a área envidraçada (A), o fator de redução (φ) e
o fator de armazenamento do vidro (a).
O fator de redução do vidro é encontrado em uma das tabelas do Manual da
Carrier que é determinado pelo de tipo vidro e tipos de persianas e toldo utilizados
na área envidraçada. O fator de armazenamento é encontrado também pelas
tabelas do Manual da Carrier, e pelo tipo de tela utilizado, a orientação e o peso da
superfície determinam esse fator.
Com estes parâmetros determina-se a transmissão de calor devido a insolação
pelos vidros, dada por:
36
aAIQ t ... ϕ= (4.1)
Somada a esta transferência de calor, calcula-se também a transferência de
calor devido a diferença de temperatura na parede pela equação (2.11), sendo o ∆T
a diferença entre a temperatura externa e a da sala.
4.4 TRANSMISSÃO DE CALOR NA PAREDE EXTERNA E TELHADO Segundo (CARRIER, 1983), a técnica para o cálculo desta componente de carga
térmica é baseada no conceito de TEMPERATURA SOL-AR. A temperatura sol-ar é
a temperatura do ar exterior, que na ausência de todas as trocas radiantes, seria
capaz de fornecer um fluxo de calor ao recinto condicionado igual ao que existem na
realidade, devido à combinação da radiação solar incidente, das trocas radiantes
com o meio ambiente, e das trocas convectivas com o ar exterior.
Para o cálculo da transmissão de calor na parede externa e teto, primeiramente
definem-se os coeficientes globais de transferência de calor (U) para ambos que
estão associados ao tipo de parede e teto utilizado. Caso não seja fornecido este
coeficiente, as tabelas do Manual da Carrier, dispõe desses valores a partir do tipo
de parede utilizado (com sua espessura e peso) no ambiente.
Depois de definido este coeficiente, calcula-se a área da parede externa.
Aplicando a equação (2.11), determina-se a transferência de calor na parede, sendo
que neste caso:
)(. esem
m
sese TT
R
RbTTT ∆−∆+∆=∆=∆ (4.2)
Na equação (4.2):
∆Te Diferença de temperatura equivalente para o mês, hora do dia e latitude
considerada;
∆Tes Diferença de temperatura equivalente para a mesma parede ou telhado na
sombra e hora do dia desejado, corrigido, para as condições de projeto,
dados fornecidos pela tabela A.5 e A.6 do Manual da Carrier para parede
externa e telhado respectivamente;
37
∆Tem Diferença de temperatura equivalente para a parede ou telhado exposto ao
sol e hora do dia desejado, corrigido, para as condições de projeto.
Rs Radiação solar máxima através de vidros para a fachada da parede ou para a
horizontal, no caso de telhados, para o mês e latitude desejados (Tabela A.2);
Rm Radiação solar máxima através de vidros para a fachada da parede ou para a
horizontal, no caso de telhados, para o mês de para janeiro, 40º S (para o
hemisfério norte devem ser utilizados os valores relativos a julho a 40ºN)
b Coeficiente que considera a coloração da parede exterior. Assim, para
paredes escuras (azul escuro, verde escuro, marrom escuro, etc.) b é igual a
1,0. Para paredes de cor média (verde claro, azul claro, etc.) b é igual a 0,78,
e para paredes claras (creme, branco,etc.) b é igual a 0,55.
Vale ressaltar que, essa fórmula é utilizada para corrigir e adequar ao recinto
utilizado à variação de temperatura equivalente das tabelas de A.5 e A.6 que são
fornecidos apenas para paredes e tetos de cor escura, 35º C de temperatura
exterior, 27 ºC da temperatura interior, 11ºC de variação de temperatura exterior em
24 horas, mês de julho e 40ºde latitude sul.
4.5 TRANSMISSÃO DE CALOR NO VIDRO, PAREDE E PISO INTERNOS
A equação utilizada para determinar a troca de calor pela parede interna, vidro
interno e piso é a mesma, pois são baseadas no mesmo princípio, da simples
transmissão de calor entre o meio externo e a sala, já vista pela equação (2.11). Já
os coeficientes globais são encontrados a partir dos tipos de paredes, vidros e pisos
utilizados no recinto, podendo ser encontrados pelas tabelas do anexo C.
4.6 ILUMINAÇÃO
A iluminação utilizada no recinto pode ser de dois tipos: fluorescente e
incandescente.
A carga térmica para iluminação por lâmpadas fluorescentes é dada por:
86,0.).1( LPrnQ += [kcal/h] (4.3)
38
Já para as lâmpadas incandescentes é dada por:
86,0.. LPnQ = (4.4)
Onde:
n número de lâmpadas;
PL potência da lâmpada, em watts;
r porcentagem de calor dissipado pelos reatores, sendo:
r = 0,250 para reatores eletromagnéticos;
r = 0,075 para reatores eletrônicos.
4.7 CARGA DE OCUPANTES A carga térmica de ocupantes é dada pela NBR 16401, pelo calor sensível e
latente liberado pelas pessoas em um determinado tipo de recinto, para uma
determinada temperatura de bulbo seco das condições internas.
4.8 CARGA DE MOTORES ELÉTRICOS
A carga térmica (calor sensível) em kcal/h considerando motor elétrico e
máquina dentro do recinto é dada por:
η
641.HPQ = (4.5)
Sendo:
HP Potência do motor [hp];
η Rendimento do motor.
4.9 EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS
Segundo (PIRANI, 2004), a potência nominal de todos os equipamentos
eletrônicos existentes no ambiente, tais como, máquinas de escrever, equipamentos
de som e vídeo, computadores, impressoras, entre outros, deverá ser considerada
como carga térmica sensível para o ambiente. Assim o ganho de calor é dado por:
39
86,0.,∑=i ieqPQ [kcak/h] (4.6)
Onde:
Peq,i Potência nominal do equipamento i, em Watts.
4.10 CALOR DO AR EXTERIOR PARA RENOVAÇÃO
Outra carga térmica importante é causada pela vazão de ar exterior para
renovação. Segundo (PIRANI, 2004), é possível definir a vazão para cada tipo de
ambiente, a partir do número de pessoas que se encontram no recinto.
Obtendo a partir da condição exterior a massa específica e a entalpia externa e
da condição interior a entalpia interna encontradas pelo psicrométrico, tem-se a
carga térmica devido a vazão de ar exterior para renovação:
).(. salaextext hhVQ −= ρ& [kcal/h] (4.7)
Onde:
V& Vazão de ar de renovação [m³/h];
extρ Massa específica do ar exterior [kg/m³];
exth Entalpia do ar exterior;
salah Entalpia do ar do recinto.
Com todos os parâmetros da estimativa de carga térmica detalhada e com os
dados necessários para a seleção do equipamento de ar condicionado é possível
fazer o cálculo do estudo de caso do trabalho acadêmico.
40
4.11 VAZÃO DE AR INSUFLADO NA SALA
Para o cálculo da vazão de ar insuflado na sala deve-se obter a carga térmica
sensível total nela, considerando as perdas do ventilador e dos dutos (para este
trabalho considerou 5% para ambos), a massa específica do ambiente (encontrada
pelo psicrométrico), a temperatura do recinto, o calor específico e a temperatura de
insuflamento.
A temperatura de insuflamento é obtida determinando o valor do fator de calor
sensível (FCS), que é a razão do calor sensível total pela soma do calor sensível
total e o calor latente total. Com este valor, se determina a inclinação da reta que
passa pelo ponto no psicrométrico das características do recinto (condições internas
do ambiente), e juntamente com a umidade relativa do insuflamento (para este
trabalho considerou-se 90%), se encontra a temperatura de insuflamento. A figura 18
mostra a carta psicrométrica com o “multiplicador m” (está circulado) que é o FCS
que define a inclinação da reta referida.
Figura 18 – Carta psicrométrica e fator de calor sensível (FCS)
Fonte: PIRANI, 2004.
Com estes dados é possível determinar a vazão de ar insuflado na sala, dada
por:
)(. 'sipsala
sensível
salaTTc
QV
−=
ρ& [m³/h] (5.1)
41
Sendo:
Qsensível Calor total sensível [kcal/h];
iρ Massa específica da sala [kg/m³];
pc Calor específico do ar insuflado [kcal/kgºC];
iT Temperatura da sala [ºC];
'sT Temperatura do insuflamento [ºC].
4.12 POTÊNCIA FRIGORÍFICA
A potência frigorífica é a própria carga térmica total do recinto, sendo o
somatório do calor sensível total com o calor latente total, podendo ser dada em
[BTU/h], [TR] e [kcal/h].
4.13 FATOR DE BY-PASS E TADP
De acordo com (PIRANI, 2004), uma forma de analisar o processo de
resfriamento e desumidificação é considerar que somente uma parcela do ar sofre
resfriamento (figura 19). Esta parcela esta em contato direto e uniforme com a
superfície de resfriamento e, portanto, estando na mesma temperatura superfície
dessa superfície, e deixa a serpentina à temperatura (Td) A outra parcela do ar não
sofre resfriamento (ar de by-pass).
Figura 19 – Representação esquemática do “by-pass” de ar
Fonte: PIRANI, 2004
O fator de “by-pass” é determinado pela seguinte relação:
am
as
hh
hhFBP
−
−= ' (5.2)
42
Sendo:
hs’ Entalpia do ar no ponto de insuflamento [kcal/kg];
ha Entalpia do ponto de orvalho [kcal/kg];
hm Entalpia da mistura [kcal/kg].
A entalpia do ar de insuflamento é determinada juntamente com a
temperatura de insuflamento já visto anteriormente, através do psicrométrico. A
entalpia da mistura é facilmente encontrada aplicando a primeira lei da
termodinâmica (conservação da energia) no condicionador de ar da figura 17, tem-
se:
mieiiee hmmhmhm ).(.. &&&& +=+ (5.3)
Sendo:
em& Massa específica do ar externo [kg/m³];
he Entalpia do ar externo [kcal/kg];
im& Massa específica do recinto [kg/kcal];
hi Entalpia do recinto [kcal/kg];
hm Entalpia da mistura [kcal/kg].
Como:
Vm && .ρ= (5.4)
Substituindo 5.4 em 5.3, encontra-se:
miieeiiieee hVVhVhV )...(.... &&&& ρρρρ +=+ (5.5)
Sendo:
eρ Massa específica do ar exterior [kg/m³];
eV& Vazão do ar exterior [m³/h];
iρ Massa específica do ar exterior [kg/m³];
iV& Vazão de ar insuflando no recinto [m³/h].
43
Como os dados relativos à condição do ar exterior e no interior do recinto são
encontrados através do psicrométrico é possível determinar a entalpia da mistura.
A partir do valor de hm encontra-se na carta psicrométrica a condição da
mistura. Traçando-se uma reta a partir correspondente à mistura, passando pelo
ponto de insuflamento, a temperatura correspondente ao ponto onde a reta corta a
linha de saturação (UR = 100%) é o ponto de orvalho do evaporador, determinando
assim a temperatura e a entalpia do ponto de orvalho (Ta e ha).
Desta forma determina-se o fator de By-pass.
4.14 REPRESENTAÇÃO DOS PROCESSOS NO SISTEMA DE AR CONDICIONADO
Baseado na figura 18 se chega ao seguinte sistema de ar condicionado:
Figura 20 – Sistema de ar condicionado padrão
Fonte: PIRANI, 2004
Sendo
i Ar na condição do recinto;
e Ar na condição externa;
m Ar na condição de mistura do ar de retorno e de renovação;
s’ Ar na condição de insuflação após sair do condicionador;
ms′ Evolução do ar na serpentina;
s′i Evolução do ar no interior do ambiente condicionado;
44
s’ Condição em que o ar é insuflado (saída do condicionador);
a Ponto de orvalho da condição de operação (ADP).
45
5 ESTUDO DE CASO: COMPARATIVO ENTRE CARGA TÉRMICA DETALHADA E SIMPLIFICADA
O estudo de caso em questão se baseia no cálculo detalhado da carga térmica,
já mencionado anteriormente, em comparação com o dimensionamento da carga
térmica simplificada encontrada pelo catálogo de aparelhos de janela, pelo
dimensionador virtual fornecidos pela Carrier e para o Inovar Ar Condicionado para o
mesmo recinto. Também serão comparadas as cargas térmicas variando o número
de pessoas, para fazer uma análise mais precisa do problema.
5.1 DADOS DO RECINTO
Os dados do ambiente considerado no estudo de caso são indicadas a seguir.
Trata-se de um quarto residencial (número 09 da figura 21) localizado no 2°
andar de um prédio de fachada externa branca. O ambiente está na cidade de
Salvador, Hemisfério Sul (12º58’16’’ de Latitude – nível do mar) cujas condições
externas para projeto estão conforme a tabela B.1 da NBR 16401 (32 ºC BS e 26 ºC
BU), sendo a variação da temperatura diária (daily range) de 10 ºC e a variação de
temperatura anual de 20 ºC. O telhado e o piso são feitos de laje simples com taco e
os andares de cima e de baixo não são condicionados, os tijolos nas paredes são
maciços de 14 cm de espessura. A iluminação é incandescente contendo apenas 2
lâmpadas de 60 W. No ambiente não existem janelas e os ambientes vizinhos não
são condicionados. Considerando as condições ideais da sala de 24 ºC BS e 50 %
UR (segundo a NBR 16401). A quantidade máxima admitida nesse recinto é de 2
pessoas, possuindo apenas uma televisão LCD de consumo de 198 W e suas
dimensões são indicadas na figura 21.
Figura 21 – Local do recinto de estudo de caso
Fonte: http://2.bp.blogspot.com/_F7hiD_Pv9po/Rkn0-9DLGKI/AAAAAAAAAJg/TXueusHhTHU/s400/planta+original.jpg
46
Figura 22 – Dimensões do recinto
5.2 DETERMINAÇÃO DA CARGA TÉRMICA DETALHADA
Com a orientação das paredes definidas pela figura 22 é possível determinar a
transferência de calor máxima de todas as paredes, encontrando a hora solar que
apresenta maior transferência de calor.
A parede leste é a que apresenta insolação direta do sol, logo, para esta
parede, considerando latitude de 10º sul, pela tabela A.2, tem-se:
Mês de maior insolação na parede: Setembro e Março.
Insolação máxima: 2./444 mhkcalI t =
47
Hora do dia de insolação máxima: 8h da manhã (tabela A.2).
A correção da TBS e TBU das condições externas devido a insolação na
parede leste é feita pela tabela A.1, neste caso para às 8:00 h e uma amplitude
térmica diária de 10º é -7,4 para o TBS e -2,0 para o TBU, logo:
(TBS)corrigido = 32 – 7,4 = 24,6 ºC
(TBU)corrigido = 26 – 2,0 = 24,0 ºC
A correção para temperatura externa de projeto não será considerada neste
trabalho, pois a variação de temperatura anual é 20 °C.
5.2.1 Carga térmica devido à diferença de temperatura no recinto
• Insolação e transmissão na parede leste
A parede leste faz troca térmica com o ambiente externo, logo aplicando as
equações 2.11 e 4.2, tem-se:
U=1,42 kcal/h.m².ºC (parede com tijolo furado com 25 cm de espessura,
tabela A.8)
A=13,5 m²
b= 0,55 (parede de coloração clara)
Rs = 444 kcal/h.m² (pico de insolação para a fachada leste, 10ºS, em 22 de
março e 22 de setembro, tabela A.2).
Rm = 444x1, 07 kcal/h.m² (pico de insolação para a fachada leste, 40ºS, em 21
de janeiro e 1,07 é o fator de correção para janeiro, tabela A.3).
TUAQPL
∆=.
)(. esem
m
sese TT
R
RbTTT ∆−∆+∆=∆=∆
∆Tes e ∆Tem devem ser corrigidos em função da amplitude diária e da
diferença (Text − Tint ) às 15:00 h, através da Tabela A.7. Assim, para:
(Text − Tint ) = 32-24 = 8 ºC
∆Tdia = 10 ºC
A correção de ∆Tes e ∆Tem é igual a +0,3.
∆Tes e ∆Tem são retirados da tabela A.5 para:
∆Tes: Fachada sul, hora desejada (8:00 h), peso da parede 300 kg/m²
(paredes de tijolos furados 20 cm) é igual a -2,2°C.
48
∆Tem: Fachada leste, hora desejada (8:00 h), peso da parede 300 kg/m²
(paredes de tijolos furados 20 cm) é igual a 0°C.
Logo:
(∆Tes)corrigido = -2,2+0,3 = -1,9 ºC e (∆Tem)corrigido = 0+0,3 = 0,3 ºC
Logo o calor trocado nesta parede é:
7692,0)9,13,0(07,1444
444.55,09,1 −=++−=∆=∆
xTT e
hKcalQPL
/7,147692,0.5,13.42,1.
−=−=
• Transmissão de calor através de partes internas
As partes internas encontradas para este recinto são:
Paredes Norte e Sul
As paredes norte e sul possuem os mesmos valores de carga térmica, pois
possuem a mesma área de troca térmica, mesmo coeficiente global e suas
vizinhanças não são condicionadas, logo aplicando a equação (2.11), tem-se:
U = 1,42 kcal/h.m².°C (parede interna 25 cm, tabela A.7)
A = 9 m²
Te = 24,6 ºC
hkcalQQPSPN
/7,7)246,24.(9.42,1..
=−==
Parede Oeste
A parede oeste se diferencia das paredes norte e sul somente pela área de
troca térmica, logo:
U = 1,42 kcal/(h.m².°C)
A = 13,5 m²
hkcalQPO
/5,11)246,24.(5,13.42,1.
=−=
Piso e Teto
O piso e o teto possuem também os mesmos valores de carga térmica, logo:
U = 2,00 kcal/h.m².°C (laje simples com tacos, tabela C.1 em anexo)
A = 13,5 m²
hkcalQQTP
/2,16)246,24.(5,13.00,2..
=−==
Logo a carga térmica total devido a diferença de temperatura para 8:00 h da
manhã é:
49
hkcalQQQQQQQ PSPNPLPOpTTOTAL /5,44.......
=+++++=
Aplicando o mesmo método para os demais horários, encontra-se na tabela 1:
Tabela 1 – Carga térmica x Hora solar
Parede Leste Parede Sul Parede Oeste Piso Parede Norte Teto Total08:00 -14,74 7,67 11,50 16,20 7,67 16,20 44,4909:00 105,20 21,73 32,59 45,90 21,73 45,90 273,0010:00 160,10 35,78 53,68 75,60 35,78 75,60 436,5011:00 170,60 51,12 76,68 108,00 51,12 108,00 565,5012:00 175,20 66,46 99,68 140,40 66,46 140,40 688,6013:00 126,00 80,51 120,80 170,10 80,51 170,10 748,0014:00 113,40 95,85 143,80 202,50 95,85 202,50 853,8015:00 117,70 102,20 153,40 216,00 102,20 216,00 907,5016:00 123,00 95,85 143,80 202,50 95,85 202,50 863,50
Hora Solar
Carga térmica devido a diferença de temperatura (Kcal/h)
Pela tabela 1, percebe-se que a hora do dia que apresenta a maior carga
térmica é 15:00h, logo será utilizado esse horário para o cálculo. Para este horário,
tem-se:
(TBS)corrigido = 32 – 0 = 32,0 ºC (tabela A.1)
(TBU)corrigido = 26 – 0 = 26,0 ºC (tabela A.1)
5.2.2 Carga térmica devido à iluminação
O quarto utiliza apenas 2 lâmpadas incandescentes de 60 W, logo utilizando a
equação (4.4), tem-se:
hkcalQi
/2,10386,0.60.2.
==
5.2.3 Carga térmica devido a equipamentos eletrônicos
Existe no recinto apenas um equipamento eletrônico (TV LCD), que rejeita
para o ambiente 198 W de potência, logo aplicando a equação (4.6):
hkcalQE
/28,17086,0.198.
==
5.2.4 Carga térmica devido à quantidade de pessoas
50
Pela tabela C.2 do anexo para o ambiente de um apartamento é possível
determinar os valores do calor latente e sensível para cada pessoa, para uma TBS =
24 ºC nas condições internas do recinto. Logo para 2 pessoas, encontra-se:
• Calor sensível
SnQSP
..
= [kcal/h] (6.1)
Sendo:
n: número de pessoas
S: Calor sensível (neste caso é 61 kcal/h)
Então:
hkcalQSP
/0,122.
=
• Calor latente
LnQLP
..
= [kcal/h] (6.2)
Sendo:
L: Calor latente (para este cálculo é 52 kcal/h)
Então:
hkcalQLP
/0,104.
=
5.2.5 Calor sensível total no recinto
O calor sensível total do recinto é dado por:
TOTALiESPTOTALSQQQQQ
....
.
.
+++= (6.3)
hKcalQTOTALS
/0,13035,9072,1033,1700,122.
.
=+++=
Considerando as perdas de 5% do ventilador e 5% dos dutos:
hKcalxQTOTALS
/3,14330,13031,1.
.
==
5.2.6 Calor latente total no recinto
51
O calor latente total, neste caso, é igual ao calor latente das pessoas no
ambiente, ou seja:
hkcalQQLPTOTALL
/104.
.
.
==
Considerando um fator de segurança de 5 %, tem se:
hkcalxQTOTALL
/2,10910405,1.
.
==
5.2.7 Carga térmica associada à vazão de ar exterior para renovação A renovação de ar no recinto é importante para que o ar interno seja sempre
reciclado, para que o ar interno não se torne viciado em CO2, porém essa renovação
gera carga térmica também. A tabela C.3, do anexo, define para residências uma
vazão de ar recomendável de 35 m³/(h.pessoa), logo para duas pessoas tem-se:
hmxV renovação /³70352.
==
Pelo psicrométrico (extraído do site do laboratório de sistemas térmicos:
http://www2.pucpr.br/educacao/lst/software_psico_prop1.html), tem-se, as condições
externas às 15:00 h ( 32º C BS e 26º BU), que são apresentadas na figura 23.
Figura 23 – Condições do ar exterior
Fonte: http://www2.pucpr.br/educacao/lst/software_psico_prop1.html
52
Para as condições internas (24 ºC BS e UR = 50%), tem-se:
Figura 24 – Condições internas do recinto
Fonte: http://www2.pucpr.br/educacao/lst/software_psico_prop1.html
Aplicando-se a equação (4.7), obtém-se a carga térmica devido à renovação
do ar:
he = 80.28/4,18 = 19,21kcal/kg
hi = 47,79/4,18 = 11,43 kcal/kg
ρe = 1/(890,61x10-3) = 1,123 m³/kg
ρi = 1/(854,4x10-3) = 1,170 m³/kg
hkcalQ renovação /6,611)43,1121,19.(123,1.70.
=−=
5.2.8 Carga térmica total do recinto
Com todas as cargas térmicas já calculadas do recinto, determina-se a
potência do condicionador necessária para este ambiente:
STOTALLTOTALrenovaçãoTR QQQQ....
++= (6.4)
hBtuhKcalQTR
/0,8542/1,21542,1093,14336,611.
==++=
53
5.2.9 Cálculo da vazão de ar
Para a determinação da vazão de ar insuflado no recinto é necessário
encontrar o FCS, que é dado por:
93,03,14332,109
3,1433..
.
=+
=
+
=
LTOTALSTOTAL
STOTAL
QFCS
Entrando com FCS no psicrométrico obtêm-se as propriedades do ponto de
insuflamento, para UR = 90%:
Tins = 14,2 º C
hins = 38/4,18 = 9,09 kcal/kg
Aplicando a equação (5.1) é possível determinar a vazão de ar necessária na
sala:
hmTTc
QV
inssalapsala
sensível
sala /³9,520)2,1424.(24,0.17,1
3,1433
)(.=
−=
−=
ρ&
5.2.10 Determinação do ponto de mistura
Aplicando a equação (5.5), encontra-se a entalpia da mistura:
miieeiiieee hVVhVhV )...(.... &&&& ρρρρ +=+
mh).43,11.9,520.17,170.123,1(43,11.9,520.17,121,19.70.123,1 +=+
hm = 12,32 kcal/kg
Entrando com entalpia de mistura no psicrométrico, o ponto que toca o
segmento de reta que liga as condições externas às condições internas é o ponto de
mistura. Por conseguinte é possível obter também pelo psicrométrico o ponto de
orvalho do evaporador:
TADP = 12,2 ºC hADP = 35/4,18 = 8,37 kcal/kg
5.2.11 Determinação do Fator de By-pass
Pela equação (5.2) determina-se o fator de By-pass:
18,037,832,12
37,809,9' =−
−=
−
−=
am
as
hh
hhFBP
54
5.2.12 Dados para seleção do equipamento
Com todos os cálculos já desenvolvidos as características do equipamento a
ser selecionado devem atender as seguintes exigências, apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 – Dados para seleção do equipamento Vazão de Ar 520,9m³/hPotência Frigorífica 8542 Btu/hFator de Bypass 0,18TADP 12,2 ºC
O aparelho de janela que atende as especificações acima, que é um dos
produtos da Casa do Ar é o Miniflex, cuja capacidade é de 10000 Btu/h, que poder
ser encontrado no catálogo da Carrier do site da Casa do Ar. Já os aparelhos de
Split a serem utilizados podem ser os que têm potência frigorífica de 9000 Btu/h,
podendo ser entre os produtos da Casa do Ar: o Split Springer Miniflex, Split Carrier
e o Split Maxiflex.
A figura 25 representa o sistema de ar condicionado no psicrométrico para o
estudo de caso (o psicrométrico mais detalhado se encontra no apêndice B).
Figura 25 – Sistema de ar condicionado do estudo de caso
5.2.13 Carga térmica variando o número de pessoas Fazendo os mesmos cálculos visto anteriormente e aumentando para 5
pessoas no recinto, obtém-se a seguinte carga térmica:
hkcalxQSP
/305615.
==
55
hkcalxQLP
/260525.
==
hkcalxQTOTALS
/6,16341,10,14865,9072,1033,170305.
.
==+++=
hkcalQQLPTOTALL
/0,2730,260.
.
.
===
hBtuhKcalQTR
/8,9989/2,25190,2736,16346,611.
==++=
56
5.3 DETERMINAÇÃO DA CARGA TÉRMICA SIMPLIFICADA
Neste trabalho serão aplicados três métodos de determinação da carga
térmica simplificada, um é baseado no catálogo de aparelhos de janelas da Carrier,
o outro é baseado no dimensionador virtual do site da Carrier e o último é extraído o
cálculo do site da Inovar Ar Condicionado.
5.3.1 Método proposto no pelo catálogo da Carrier
A carga térmica simplifica pode ser calculada segundo o catálogo da figura 26
para aparelhos de janela.
Figura 26 – Cálculo de carga térmica simplificado
Fonte: http://www.casadoar.com/pdfs/ap_janela_silentia.pdf
O quarto possui uma área de 13,5 m², recebe o sol da manhã (insolação na
parede leste) e contém 2 pessoas no recinto, logo a carga térmica total para este
ambiente é:
57
hBTUxQTR
/11200600210000.
=+=
O aparelho de janela que atende esta especificação é o Springer Miniflex de
12000 Btu/h que apresenta menor consumo.
Fazendo a mesma consideração, mas considerando 5 pessoas no recinto,
tem-se:
hBTUxQTR
/13000600510000.
=+=
5.3.2 Método pelo dimensionador virtual
Utilizando agora o método pelo dimensionador virtual, obtém-se os seguintes
resultados para 2 pessoas no recinto, apresentados na figura 27.
Figura 27 – Dimensionador Virtual Fonte: http://www.springer.com.br
Pelo método do dimensionador virtual, a carga térmica para o mesmo recinto
pela figura acima foi:
hBtuQTR
/8577.
=
Como o aparelho definido pelo dimensionador virtual não está na lista dos
produtos da Casa do Ar, os melhores equipamentos a serem utilizados são os
mesmos especificados para no cálculo da carga térmica teórico.
Utilizando o mesmo programa para o mesmo recinto, aumentando para 5
pessoas no ambiente, tem-se pela figura 28:
58
Figura 28 – Dimensionador Virtual para 5 pessoas
Fonte: http://www.springer.com.br
Logo:
hBtuQTR
/9777.
=
5.3.3 Método proposto na página da Inovar Ar Condicionado Aplicando o método encontrado pelo site da empresa Inovar Ar Condicionado,
encontram-se os resultados apresentados pela figura 29, para o ambiente contendo
apenas 2 pessoas:
59
Figura 29 – Cálculo da Carga térmica pelo Inovar Ar Condicionado Fonte: http://www.inovararcondicionado.com.br/
hBtuQTR
/11400.
=
Repetindo-se o cálculo, considerando 5 pessoas no recinto estudado, tem-se os
resultados apresentados na figura 30:
Figura 30 – Cálculo da Carga térmica pelo Inovar Ar Condicionado para 5 pessoas
Fonte: http://www.inovararcondicionado.com.br/
hBtuQTR
/13200.
=
60
6 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os três métodos vistos anteriormente produzem resultados distintos no
dimensionamento da carga térmica, pelo fato dos parâmetros utilizados para os
cálculos serem diferentes para o mesmo ambiente.
A potência frigorífica encontrada pelo método detalhado é, dentre todos, o que
considera o maior número de parâmetros envolvidos no cálculo da carga térmica
(tipos e localização das paredes, tipo e quantidade de iluminação, entre outros).
Comparando o valor encontrado para este método, se percebe que o cálculo feito
pelo catálogo de aparelhos de janela determina um valor superdimensionado da
carga térmica tanto para 2 como para o caso com 5 pessoas (para analisar variando
o calor latente), sendo assim, retirando o calor do ambiente mais rapidamente,
fazendo com o que o aparelho ligue e desligue com mais freqüência, podendo
reduzir o tempo de vida útil do aparelho. Além disso, o cliente adquire um aparelho
mais do que precisa para o seu recinto, devido ao superdimensionamento. Outro
fator negativo de utilizar esse método é que, não especifica (tanto ele, quanto os
outros dois métodos simplificados) a vazão de ar, o fator de by-pass e a temperatura
do ponto de orvalho do evaporador que constituem junto com a potência frigorífica a
seleção do equipamento ideal para o recinto.
Já pelo dimensionador virtual, alguns parâmetros utilizados são diferentes do
anterior, sendo que a diferença encontrada para o dimensionamento teórico do
recinto de estudo, foi mínima, não apresentando nenhuma distinção na seleção do
equipamento tanto, mesmo variando o calor latente (variação do número de
pessoas). Sendo assim, é o método que mais se aproxima do cálculo detalhado para
o ambiente de estudo e ainda sugere o condicionador para o ambiente estudado,
como foi visto na figura 30.
Já o último método, proposto na página da empresa Inovar Ar Condicionado,
mostrou resultados superdimensionados e em concordância com os resultados
obtidos através do método proposto no catálogo da Carrier, não sendo assim um
bom método a ser empregado. A tabela 3 apresenta as cargas térmicas através dos
métodos estudados.
61
Tabela 3 – Cargas térmicas calculadas através dos diferentes métodos
Método UtilizadoCarga térmica para 2 pessoas (Btu/h)
Carga térmica para 5 pessoas (Btu/h)
Teórico 8542 9989Dimensionador Virtual 8577 9777Catálogo da Carrier 11200 13000Inovar Ar Condicionado 11400 13200
A tabela 4 apresenta a seleção do condicionador com seus respectivos
preços e cargas térmicas (fornecidos pela Casa do Ar) para cada método
empregado, para ter uma melhor idéia da importância do dimensionamento correto
da carga térmica.
Tabela 4 – Aparelhos selecionados
Método Utilizado AparelhosPotência
Frigorífica (Btu/h)Valor (R$)
Springer MiniMax 10000 1052,00
Split Maxiflex 9000 1236,00
Split Toshiba 9000 2680,00
Split Carrier 9000 1230,00Catálogo e Inova Ar
CondicionadoSpringer MiniMax 12000 1390,00
Detalhado e Dimensionador Virtual
Segundo a tabela 4 nota-se que o melhor aparelho a ser utilizado visando o
custo benefício é o aparelho de janela Springer MiniMax por apresentar baixo custo
de aquisição do aparelho e não necessitar de uma mão de obra especializada para
instalar o equipamento, por ser um aparelho de janela.
62
7 CONCLUSÃO
O trabalho de conclusão de curso apresenta o estudo comparativo do
dimensionamento da carga térmica para aparelhos de janela e parede por duas
abordagens, detalhada e simplificada. A detalhada é baseada no Manual da Carrier,
em que são utilizados diversos parâmetros de carga térmica e da seleção do
equipamento. Já os métodos simplificados sugeridos neste trabalho são três:
catálogo da Carrier, dimensionador virtual e extraído do “site” da Inovar Ar
Condicionado. Os resultados de todos os métodos são calculados e comparados
para um quarto residencial.
O trabalho pode transmitir uma abrangência maior da necessidade do
comparativo entre os cálculos da carga térmica detalha e simplificada, servindo de
análise o estudo de caso para um quarto residencial, pois existem no mercado vários
tipos de cálculos simplificados que devem ser analisados com certos critérios, para
não haver superdimensionamento da carga térmica.
Os resultados demonstraram que para este recinto o método baseado nos
catálogos da Carrier e o método do site da Inovar Ar Condicionado produzem
resultados superdimensionados em relação ao cálculo detalhado. Isto (como foi visto
anteriormente) pode diminui a vida útil do aparelho, pois ele irá retirar calor do
ambiente interno mais rapidamente e assim, (devido à presença do sensor de
temperatura) o equipamento irá ligar e desligar com mais freqüência. Contudo, o
método aplicado pelo dimensionador virtual da Carrier obteve resultados mais
próximos para a potência frigorífica do equipamento em relação ao detalhado, sendo
ainda o resultado encontrado mais rapidamente. Isto se deve ao fato de mesmo
variando o número de pessoas no ambiente, os resultados obtidos são bem
próximos do método detalhado.
Portanto, o engenheiro responsável pelo dimensionamento da carga térmica
deve ficar atento a todos os métodos existentes, sejam em catálogos, programas
encontrados e desenvolvidos para os parâmetros que estão sendo adotados, pois
pode produzir resultados precisos ou não. Em casos em que o processo exige um
controle apurado das condições do ambiente a ser climatizado, o método de cálculo
dever o detalhado e não os simplificados.
63
Para trabalhos futuros, sugere-se fazer o cálculo da carga térmica por mais
métodos detalhados e simplificados, para se ter uma análise mais precisa dos
resultados. Além disso, podem ser escolhidos ambientes para estudos de casos
maiores e com mais parâmetros no dimensionamento da carga térmica (janelas,
aparelhos que dissipam calor, entre outros). Assim o trabalho terá muito mais
precisão na análise final dos resultados.
64
REFERÊNCIAS
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unitários. Primeira edição 04.08.2008.
APOLLO11.COM. Latitude e longitude das cidades brasileiras. 2001. Disponível
em:
<http://www.apolo11.com/latlon.php?uf=ba&cityid=5>. Acesso em: 12 out. 2009.
CARRIER AIR CONDITIONING COMPANY, “Manual de Aire Acondicionado”,
Marcombo Boixareu Editores, 1983.
CASA DO AR. Aparelhos de janela e split. Disponível em:
<http://www.casadoar.com.br>. Acesso em: 20 out. 2009.
CONSTRUCLIMA. Carta psicrométrica para o nível do mar. Disponível em:
<http://www.construclima.com.br/pdf/10.pdf>. Acesso em 15 nov. 2009.
HISTÓRIA DE TUDO. História do Ar Condicionado. 2009. Disponível em:
<http://www.historiadetudo.com/ar-condicionado.html>. Acesso em: 10 set. 2009.
INCROPERA, DE WITT. Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6ª
edição, Rio de Janeiro, LTC, 2008.
INOVAR AR CONDICIONADO. Cálculo da Carga Térmica. 2006. Disponível em:
<http://www.inovararcondicionado.com.br>. Acesso em 26 nov. 2009.
LABORATÓRIO DE SISTEMAS TÉRMICOS, Carta Psicrométrica 2007. Disponível
em:
<http://www2.pucpr.br/educacao/lst/software_psico_prop1.html>. Acesso em: 02 nov.
2009.
65
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Eficiência Energética de Equipamentos e Instalações”, 3a Edição, Eletrobrás,
Procel Educação, UNIFEI, FUPAI. Itajubá, 2006. Vol. 1, 597 páginas.
PIRANI, MARCELO JOSÉ. Apostila de Refrigeração e Ar Condicionado. 2004.
PIZZETTI, “Acondicionamiento del Aire y Refrigeración”, Editoral Interciencia,
Costanilla de Los Angeles, 15, Madrid-13, 1970.
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<http://www.springer.com.br/springer/site/dimensionador/dimensionador.asp>.
Acesso em: 10 nov. 2009.
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VIDAL, RICARDO. Arquitetura e Urbanismo. 2007. Disponível em:
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VIEIRA, SÔNIA CHAGAS. Manual de Estilo Acadêmico. 2ª edição revista e
ampliada, 2003.
WYLEN, SONNTAG. Fundamentos da Termodinâmica, tradução da sexta edição
inglesa: Euryale de Jesus Zerbini, São Paulo: Edgard Blücher, 2003.
66
APÊNDICE A – Cálculo da carga térmica no EES
Segue abaixo todo cálculo desenvolvido no programa EES (Engineering
Equation Solver).
67
Segue abaixo a tabela 1 do trabalho calculada pelo EES:
68
APÊNDICE B – Sistema de ar condicionado do estudo de caso
69
ANEXO A – Tabelas do Manual da Carrier
Tabela A.1: Correções para a temperatura externa de projeto em função da hora considerada.
Tabela A.2: Insolação através do vidro (kcal/h.m²)
70
Tabela A.3: Insolação através dos vidros para 10°S (kcal/h x m² de abertura)
71
Tabela A.4: Insolação através dos vidros para 40°S (kcal/h x m² de abertura)
72
Tabela A.5: Diferença equivalente de temperatura (°C). Válida para paredes em sol ou sombra, de cor escura, 35 °C de temperatura exterior,27 °C de
temperatura interior, 11 °C de variação de temperatura exterior em 24 horas, mês de julho e 40o de latitude
sul.
Tabela A.6: Correção das diferenças equivalentes de temperatura
73
Tabela A.7: Correção das diferenças equivalentes de temperatura.
Tabela A.8: Coeficientes globais de transmissão de calor (paredes).
[kcal/h.m2.°C]
74
ANEXO B – Tabela da NBR 16401 Tabela B.1: Dados de projeto para a cidade de salvador
75
ANEXO C – Tabelas extraídas de PIRANI, 2004 Tabela C.1 - Coeficientes Globais de Transmissão de Calor (U), em
[kcal/h.m².°C], para tetos e pisos.
Tabela C.2: Calor liberado por pessoas (kcal/h)
76
Tabela C.3: Ar exterior para renovação
77
CARVALHO, Leonardo Sousa. Estudo comparativo entre carga térmica
detalhada e simplificada para climatização ambiental. 2009. 76 f. Trabalho de
Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Escola Politécnica,
Universidade Federal da Bahia, Salvador.
Autorizo a reprodução deste trabalho para fins de comutação
bibliográfica desde que com a devida referência.
Salvador, dezembro de 2009.
Leonardo Sousa Carvalho
