7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
1/159
Notas de aula
REFRIGERAO E ARCONDICIONADO
Prof. Humberto A. Machado
Departamento de Mecnica e Energia DME
Faculdade de Tecnologia FAT
UERJ Resende
Maro de 2009
(3a Edio revisada)
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
2/159
1
NOTA DO AUTOR
Estas notas so um resumo para acompanhamento das aulas. Foram criadasespecificamente para a disciplina de Refrigerao do Curso de Engenharia deProduo/nfase Mecnica da FAT/UERJ.
A 1a
edio foi disponibilizada em maro de 2005. A 2a
edio (maro de 2007) incluialgumas passagens novas, maior detalhamento em outras e reviso na soluo dosexerccios. A 3a edio, alm das modificaes anteriores, inclui um exerccio prtico declculo da carga trmica e dimensionamento de sistema de ar-condicionado. Paraacompanhamento do curso, tenha sempre em uso a edio mais recente.
Em nenhum momento esta apostila pretende substituir os livros textos consagrados sobreo tema. Tambm no deve ser considerada roteiro para provas e exames nem dispensaa presena e a ateno ao contedo dado em sala. Sua funo unicamente fornecerum roteiro coerente com a seqncia didtica adotada.
Para os alunos que desejem se aprofundar no tema, sugere-se consultar a bibliografiaselecionada.
Resende, maro de 2009.
Prof. Humberto A. MachadoDepartamento de Mecnica e Energia DME
Faculdade de Tecnologia FATUniversidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
3/159
2
NDICE
1. INTRODUO ................................................................................................................4
1.1. HISTRICO ..................................................................................................................41.2. APLICAES DA REFRIGERAO ...................................................................................4
1.3. O EFEITO DE REFRIGERAO ........................................................................................51.4. NOES DE CONFORTO TRMICO ..................................................................................51.5. SISTEMAS DE UNIDADES ...............................................................................................7
2. PSICROMETRIA .............................................................................................................8
2.1. INTRODUO ...............................................................................................................82.2. CARTA PSICROMTRICA................................................................................................82.3. UMIDADE RELATIVA ....................................................................................................102.4. UMIDADE ABSOLUTA...................................................................................................102.5. ENTALPIA ..................................................................................................................112.6. VOLUME ESPECFICO..................................................................................................12
2.7. TRANSFERNCIA SIMULTNEA DE CALOR E MASSA ........................................................122.8. CALOR SENSVEL X CALOR LATENTE............................................................................132.9. SATURAO ADIABTICA E TEMPERATURA DE BULBO MIDO TERMODINMICA .................142.10. TERMMETRO DE BULBO MIDO ................................................................................152.11. PROCESSOS PSICROMTRICOS .................................................................................152.12. EXERCCIOS ............................................................................................................17
3. ANLISE DO CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR ................................................31
3.1. SISTEMAS DE REFRIGERAO .....................................................................................313.2. O CICLO DE COMPRESSO A VAPOR.............................................................................323.3. MODIFICAES NO CICLO DE CARNOT .........................................................................36
3.3.1. Compresso mida e seca ...............................................................................363.3.2. Processo de expanso .....................................................................................37
3.4. CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR ...................................................................373.5. PROPRIEDADES DOS REFRIGERANTES .........................................................................383.6. DESEMPENHO DO CICLO PADRO DE COMPRESSO A VAPOR .........................................393.7. TROCADORES DE CALOR ............................................................................................403.8. O CICLO REAL DE COMPRESSO A VAPOR ....................................................................413.9. EXERCCIOS ..............................................................................................................42
4. CLIMATIZAO ...........................................................................................................48
4.1. INTRODUO .............................................................................................................48
4.2. CLCULO DA CAPACIDADE DE REFRIGERAO EM UM SISTEMA DE ZONA SIMPLES ............484.3. CLASSIFICAO DOS SISTEMAS DE CLIMATIZAO.........................................................494.4. SISTEMAS DE REFRIGERAO DE ZONA SIMPLES ...........................................................50
4.4.1. Condicionadores de ar de janela ......................................................................504.4.2. Sistemas tipo Self-contained ............................................................................504.4.3. Sistemas tipo splits...........................................................................................514.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller .............................................................................52
5. COMPONENTES DO SISTEMA ...................................................................................54
5.1. COMPRESSORES .......................................................................................................545.1.1. Compressores alternativos ...............................................................................555.1.2. Compressor rotativo .........................................................................................575.1.3. Compressores de parafuso ..............................................................................585.1.4. Compressores centrfugos................................................................................59
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
4/159
3
5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol).......................................................................605.2. EVAPORADORES ........................................................................................................615.3. CONDENSADORES .....................................................................................................655.4. TORRES DE RESFRIAMENTO E CONDENSADORES EVAPORATIVOS ..................................685.5. DISPOSITIVOS DE EXPANSO.......................................................................................705.6. LINHAS DE FLUIDO REFRIGERANTE...............................................................................74
5.7. ACESSRIOS .............................................................................................................746. NOES DE PROJETO DE CLIMATIZAO.............................................................76
6.1. PRINCPIOS ...............................................................................................................766.2. CONDIES DE PROJETO............................................................................................776.3. ESTIMATIVA DA CARGA TRMICA ..................................................................................79
6.3.1. Parcelas da carga trmica ................................................................................806.3.2. Determinao da vazo total de insuflamento..................................................926.3.3. Armazenagem ..................................................................................................936.3.4. Zoneamento......................................................................................................946.3.5. Aquecimento.....................................................................................................95
6.3.6. Sombreamento .................................................................................................956.4. EXEMPLO ..................................................................................................................97
7. VENTILAO .............................................................................................................103
7.1. DIMENSIONAMENTO DA REDE DE DUTOS.....................................................................1037.1.1. Arbitragem de velocidades .............................................................................1037.1.2. Mtodo de igual atrito .....................................................................................1057.1.3. Mtodo da recuperao de presso ...............................................................107
7.2. ESTIMATIVA DA PERDA DE CARGA ..............................................................................1117.3. DISTRIBUIO DO AR ................................................................................................1187.4. VENTILADORES........................................................................................................124
7.4.1. Ventiladores centrfugos e suas caractersticas .............................................1247.4.2. Leis dos Ventiladores .....................................................................................127
7.5. EXEMPLO ................................................................................................................129
8. REFRIGERANTES......................................................................................................133
8.1. FLUIDOS PRIMRIOS E SECUNDRIOS.........................................................................1338.2. TIPOS DE REFRIGERANTES PRIMRIOS .......................................................................133
BIBLIOGRAFIA...............................................................................................................135
ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES ...................136
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
5/159
4
1. INTRODUO
1.1. Histrico
Na antiguidade, a refrigerao j era utilizada no preparo de alimentos. Gregos eromanos usavam escravos para extrair a neve do topo de montanhas e armazena-
la em buracos na terra, onde era posteriormente empregada no preparo dealimentos gelados.
Em 1626, Francis Bacon verificou que as baixas temperaturas permitiam conservaralimentos, enterrando galinhas na neve. Com a inveno do microscpio, em 1683,foi possvel entender o mecanismo de deteriorao dos alimentos. As temperaturasabaixo de 10 C colocavam os microorganismos responsveis pela decomposioem estado de hibernao. Tal fato estimulou o comrcio de gelo natural, que eradistribudo atravs de longas distncias, em navios e carroas isoladas comserragem, e armazenado nas residncias em armrios isolados chamadosgeladeiras. O processo de congelamento substituiu em grande parte o salgamento
e a defumao.
Devido crescente demanda por gelo, e a dificuldade de sua distribuio, buscou-se uma alternativa para a produo de gelo artificial. Em 1755, Willian Cullenutilizou a evaporao de ter para congelar uma pequena poro de gua,baixando a presso para acelerar o processo. O sistema tinha a desvantagem denecessitar de reposio constante do ter. O problema foi resolvido cirando-se umcircuito fechado onde o ter vaporizado era comprimido para se condensarnovamente. Em 1834, Jacob Perkins patenteou o primeiro equipamento paraproduo de gelo. O primeiro sistema real de refrigerao foi construdo peloescocs James Harrison entre 1856 e 1857.
Os progressos foram se sucedendo: o uso da amnia foi substitudo pelos CFCs, eo primeiro refrigerador domstico foi construdo nos anos de 1920. O primeiro Arcondicionado foi criado por Joseph McCreaty em 1897. Willis H. Carrier foi oprimeiro a conseguir o controle da temperatura e umidade em um ambiente, em1906.
Depois da 2 Guerra Mundial, os equipamentos de refrigerao e condicionamentode ar se popularizaram. Atualmente, os principais campos de desenvolvimento dossistemas de refrigerao envolvem aspectos energticos (otimizao do uso de
energia) e ambientais (substituio dos CFCs por fluidos no danosos camada deoznio). Tem havido um aumento intensivo no emprego da eletrnica nos sistemasde controle desses equipamentos.
1.2. Aplicaes da refrigerao
- Ar condicionado em edificaes de porte mdio e grande: prdios comerciais eresidenciais.
- Climatizao de ambientes industriais: aquecimento e resfriamento localizado,
laboratrios ambientais, grficas, txteis, processos de alta preciso, salas limpas,produtos fotogrficos, equipamentos eletrnicos, etc.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
6/159
5
- Ar condicionado residencial e veicular.
- Armazenamento e distribuio de alimentos: por imerso, jato de ar, leito fluidilizadoou criogenia.
- Processamento de alimentos.
- Indstrias qumicas e de processos.
- Produo de gases industriais.
- Aplicaes especficas: bebedouros, desumidificadores, produo de gelo, etc.
Figura 1.1. Vista em corte de um refrigerador domstico.
1.3. O efeito de refrigerao
A refrigerao consiste basicamente em retirar calor de um corpo e rejeita-lo para omeio ou outro corpo a uma temperatura maior. A 2 Lei da Termodinmica estabeleceque o calor s flui espontaneamente no sentido da menor temperatura. Assim, preciso adicionar trabalho, atravs de um processo qualquer, para a remoo do calor.Esse o princpio de todos os equipamentos de refrigerao.
O corpo humano emprega o processo de evaporao para eliminar o excesso de calore controlar sua temperatura. Sabe-se que a evaporao da gua absorve muito mais
calor do que o aquecimento da mesma quantidade de gua de 0
o
C a 100 C. Assim, ocorpo elimina gua na forma transpirao, que retira o calor ao evaporar-se. Veremosque o mesmo efeito empregado nos sistemas de refrigerao.
1.4. Noes de conforto trmico
Segundo a ASHRAE (1997), conforto trmico um estado de esprito que reflete asatisfao com o ambiente trmico que envolve uma pessoa.
Segundo essa definio, o conforto trmico de um indivduo subjetivo. Num sistema
de condicionamento de ar, deseja-se atender ao maior nmero de indivduos possvel.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
7/159
6
A sensao de conforto depende da facilidade com que o indivduo estabelece obalano trmico com o meio, para manter sua temperatura interna corporal em 37o C.
Existem limites para a temperatura externa (da pele) e suor eliminado (mximo de 1litro por hora).
Fatores de conforto trmico:
- Individuais: atividade, vesturio.
- Ambientais: temperatura do ar, temperatura mdia radiante, velocidade do ar,umidade relativa.
A transferncia de calor pelo corpo se d de quatro formas distintas:
Figura 1.2. Trocas trmicas entre o homem e o meio.
- Conduo: usualmente desprezada.- Evaporao: pela exalao de vapor dgua, por perspirao insensvel e pelo
suor.- Conveco- Radiao
A avaliao dos ambientes feita atravs de ndices trmicos. Um dos primeiros foi atemperatura efetiva (TE). Foram estabelecidos ndices diretos, cujo principal foi
adotado pela legislao brasileira sobre higiene e segurana do trabalho (NR 15), e o ndice de bulbo mido temperatura de globo, IBUTG. Na literatura internacional chamado WBGT(wet bulb globe temperature). A norma internacional para avaliaode ambientes temperaturas moderadas a ISO 7730.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
8/159
7
1.5. Sistemas de unidades
So basicamente dois os sistemas de unidades usados atualmente: o sistema mtricoe o sistema ingls (ainda empregado nos Estados Unidos). Dentro do sistema mtrico,o mais difundido o sistema formado por grandezas fundamentais conhecido comoSistema Internacional de Unidades (SI). Nas tabelas abaixo, so sumarizadas algumas
das unidades desses sistemas, que estaro presentes neste texto, e os fatores deconverso.
Tabela 1.1. Unidades derivadas do SI para algumas grandezas.
Tabela 1.2. Fatores de converso teis.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
9/159
8
2. PSICROMETRIA
2.1. Introduo
o estudo das misturas ar-vapor.
Em condicionamento de ar, considera-se o ar uma mistura de ar seco e vapordgua, cuja quantidade pode variar de acordo com o processo, e que serdenominada de ar mido.
2.2. Carta psicromtrica
So cartas que relacionam as diversas propriedades do ar mido.
A linhas de saturao corresponde ao lugar geomtrico dos pontos em queocorre condensao da gua no ar.
A interao entre as molculas do ar e de gua considerada desprezvel parafins de clculo psicromtrico.
Quando o ar se encontra sobre a linha de saturao, chamado ar saturado.Nesse caso, qualquer reduo da temperatura causar condensao da guanele contida.
Na figura 2.1, se o ar se encontra inicialmente no ponto A, necessrio que suatemperatura se reduza at B para o incio da condensao. Nesse caso, TB chamadoponto de orvalho.
Figura 2.1. A linha de saturao.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
10/159
9
Figura 2.2. A carta psicromtrica.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
11/159
10
2.3. Umidade relativa
a razo entre a frao molar do vapor de gua no ar mido e a frao molar dovapor de gua no ar saturado mesma temperatura. Para gases perfeitos:
Figura 2.3. Linha de umidade relativa.
2.4. Umidade absoluta
a massa de gua contida em 1 kg de ar seco. Para gases ideais:
Para ar mido:
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
12/159
11
Figura 2.4. Umidade absoluta como ordenada.
2.5. Entalpia
a soma das entalpias do ar seco mais vapor de gua. A entalpia do ar seco calculada a partir de um estado de referncia (0o C) em que tem valor zero. O calorespecfico presso constante do ar seco aproximando para 1 kJ/kg.oC.
A entalpia do vapor foi considerada na condio de saturao, embora provavelmenteo vapor estaja superaquecido devido baixa presso. A figura 2.5 mostra que essaaproximao no acarreta grandes erros.
Figura 2.5. Diagrama de Mollier variao da entalpia do vapor dgua ao longo deuma isoterma.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
13/159
12
Figura 2.6. Linha isoentlpica.
2.6. Volume especfico
O volume especfico da mistura definido em funo do volume especfico do ar seco,uma vez que ar e vapor ocupam o mesmo volume simultaneamente. Para gs perfeito,
temos:
Figura 2.7. Linha de volume especfico constante.
2.7. Transferncia simultnea de calor e massa
Lei da linha reta: quando o ar transfere calor e massa (vapor dgua), o faz atravsde uma linha reta que tende para a temperatura da superfcie mida sobre a linha desaturao:
Figura 2.8. Ar escoando sobre uma superfcie mida com transferncia de calor emassa.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
14/159
13
Figura 2.9. Lei da linha reta.
Tal comportamento se deve ao fato do nmero de Lewis da gua seraproximadamente igual a 1.
2.8. Calor sensvel x Calor Latente
Quando ocorre transferncia simultnea de calor e massa de ou para o ar mido, ocalor trocado pode ser dividido em duas parcelas:
Calor sensvel: associado variao de temperatura.
Calor latente: associado mudana de fase, ou seja, variao do teor de umidadedo ar mido.
Para um processo de troca de calor sofrido por uma determinada massa de ar mido,a quantidade de calor trocada ser dada pela variao de entalpia do ar:
12 hhq =
Aplicando a equao para o clculo da entalpia do ar mido, obtm-se
) )1gp2gp
WhT.cWhT.cq ++=
Reagrupando os termos, tem-se:
( )1g12g212p
hWhWTTcq ++=
que pode ser reescrita como:
LS qqq +=
onde:
( )12pS TTcq = (parcela de calor sensvel)
1g12g2LhWhWq += (parcela de calor latente)
Podemos definir o Fator de Calor Sensvel (FCS) como:
FCS = qS/ q
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
15/159
14
O FCS corresponde inclinao da linha que representa a troca de calor na cartapsicromtrica.
2.9. Saturao adiabtica e temperatura de bulbo mido termodinmica
O processo mostrado a seguir realizado num saturador adiabtico:- As paredes do saturador so isoladas termicamente.- A gua dispersa na maior rea possvel.- A gua do reservatrio reposta e mantida temperatura constante,
igual do reservatrio.- Dentro destas condies, a gua entra em equilbrio termodinmico com
o ar.Uma vez atingido o regime permanente, a temperatura da gua chamadatemperatura de bulbo mido termodinmica ou temperatura de saturaoadiabtica.
O balano trmico proporciona:
Figura 2.10. Saturao adiabtica.
Figura 2.11. Saturao adiabtica na carta psicromtrica.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
16/159
15
2.10. Termmetro de bulbo mido
Obtm uma medida muito prxima da temperatura de saturao adiabtica, que podeser usada para a caracterizao de uma mistura ar-gua, uma vez que de fcilobteno.
Figura 2.12. Processo de medio da temperatura de bulbo mido.
2.11. Processos psicromtricos
1. Resfriamento e aquecimento sensveis (com variao de temperatura):
Figura 2.13. Aquecimento ou resfriamento sensvel.
2. Umidificao:
Figura 2.14. Processos de umidificao.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
17/159
16
3. Resfriamento e desumidificao: so realizados pela serpentina de resfriamento,e consistem na reduo da temperatura e da umidade do ar.
Figura 2.15. Resfriamento e desumidificao.
4. Desumidificao qumica: o vapor dgua absorvido por uma substnciahigorscpica.
Figura 2.16. Desumidificao qumica.
5. Mistura de duas correntes de ar: pela conservao da energia, temos,
Pela conservao da massa, obtm-se:
Figura 2.17. Mistura de correntes de ar.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
18/159
17
2.12. Exerccios
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
-do na sada do desumi
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
19/159
18
observao: neste exerccio,Pa significa presso parcial do vapor dgua, e no presso do ar. Ou
seja, a nomenclatura correta seriaPv.
Soluo do exerccio 1
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
20/159
19
Soluo do exerccio 2
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
21/159
20
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
22/159
21
Soluo do exerccio 3
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
23/159
22
Soluo do exerccio 4
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
24/159
23
m3/Kg
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
25/159
24
Soluo do exerccio 5
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
26/159
25
Soluo do exerccio 6
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
27/159
26
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
28/159
27
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
29/159
28
Soluo do exerccio 7
7,47 kPa
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
30/159
29
Soluo do exerccio 8
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
31/159
30
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
32/159
31
3. ANLISE DO CICLO DE COMPRESSO DE VAPOR
3.1. Sistemas de refrigerao
Sistema de Compresso de vapor: o mais empregado. O ciclo de operaesrealizadas mostrado na tabela abaixo.
Figura 3.1. Ciclo de compresso de vapor.
Sistema de refrigerao por absoro: o mais comum utiliza amnia (NH3) comofluido refrigerante e gua como absorvente. Tem a vantagem de utilizar energiatrmica quando a eletricidade no est disponvel ou tem custo elevado. No tempeas mveis, por isso silencioso e sem vibraes.
Figura 3.2. Sistema de refrigerao por absoro tpico.
Refrigerao termeltrica: funcionam a partir dos efeitos Seebeck/Peltier, em queuma corrente eltrica induzida por ou pode induzir uma diferena de temperaturaentre dois extremos de um condutor. o princpio usado nos termopares.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
33/159
32
3.2. O ciclo de compresso a vapor
O ciclo motor de Carnot o ciclo mais eficiente que pode ser concebido para operarentre uma certa diferena de temperaturas, em virtude de ser constitudo apenas deprocessos reversveis.
Figura 3.3. Motor trmico de Carnot.
O ciclo de refrigerao de Carnot opera no sentido inverso. A finalidade do ciclo aextrao de calor da fonte de baixa temperatura para um reservatrio de altatemperatura. Os processos que ocorrem no ciclo so:
1-2: compresso adiabtica2-3: rejeio isotrmica do calor3-4: expanso adiabtica
4-5: absoro isotrmica do calor
Figura 3.4. ciclo de refrigerao de Carnot.
O desempenho de um ciclo de refrigerao medido pelo coeficiente de eficcia(CE):
CE = ___refrigerao til___trabalho lquido
O fluido de trabalho em um sistema de refrigerao chamado refrigerante.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
34/159
33
Figura 3.5. reas relativas ao ciclo de refrigerao de Carnot.
3.5
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
35/159
34
onde:
U coeficiente global de transferncia de calor (W/m2.K)
A rea de troca (m2)
t diferena de temperatura (K)
Figura 3.6. Exigncias de temperatura impostas sobre um ciclo frigorfico.
3.6
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
36/159
35
Figura 3.7. Ciclo de refrigerao de Carnot a gs.
3.7
3.8
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
37/159
36
3.3. Modificaes no ciclo de Carnot
3.3.1. Compresso mida e seca
Figura 3.8. Ciclo de refrigerao de Carnot para compresso mida.
Figura 3.9. Ciclo de refrigerao de Carnot para compresso seca.
3.9
3.8
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
38/159
37
3.3.2. Processo de expanso
3.4. Ciclo padro de compresso a vapor
Figura 3.10. Ciclo padro de compresso vapor.
3.10
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
39/159
38
3.5. Propriedades dos refrigerantes
Figura 3.11. Diagrama presso-entalpia de um refrigerante.
3.11
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
40/159
39
3.6. Desempenho do ciclo padro de compresso a vapor
A figura a seguir mostra o aspecto do ciclo padro de compresso a vapor numdiagrama presso entalpia.
Atravs deste diagrama, pode-se determinar os parmetros importantes do ciclo:
- Trabalho de compresso:
w = h1 h2
- Taxa de rejeio de calor:
qrejeitado = h3 h2
- Efeito de refrigerao:
qabsorvido = h1 h4.
- vazo em volume de refrigerante por kW de refrigerao
- potncia por kW de refrigerao:
w.mW && =
- capacidade de refrigerao:
absorvidoR q.mQ && =
obs: as variaes de energia cintica e potencial so desprezadas.
Figura 3.12. Diagrama presso-entalpia e esquema do ciclo padro de compresso avapor.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
41/159
40
3.7. Trocadores de calor
Alguns sistemas frigorficos utilizam trocadores de calor que resfriam o lquido sadodo condensador com o vapor que se dirige para o compressor, vindo do evaporador.
Figura 3.13. Sistema frigorfico com trocador de calor para sub-resfriamento dolquido.
Figura 3.14. Trocador de calor entre o gs de aspirao e o lquido sem a carcaa.
3.14
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
42/159
41
3.8. O ciclo real de compresso a vapor
Figura 3.15. Ciclo de compresso real comparado ao padro.
3.15
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
43/159
42
3.9. Exerccios
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
44/159
43
Ex. 1.
Ex. 2.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
45/159
44
Ex. 3.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
46/159
45
Ex. 4.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
47/159
46
Ex. 5.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
48/159
47
Ex. 6.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
49/159
48
4. CLIMATIZAO
4.1. Introduo
Climatizar ambientes significa tratar simultaneamente a temperatura, umidade, purezae movimentao do ar em recintos fechados, no sentido de obter conforto trmico.
Os sistemas de climatizao de zona simples atendem a apenas um recinto. Os dezona mltipla atendem vrios recintos simultaneamente, e exigem um projeto maisacurado.
Um sistema de climatizao envolve o emprego de unidades de refrigerao, filtragem,circulao do ar, controle, etc. Na figura abaixo, mostrado o esquema de um sistemade zona simples. A taxa de renovao do ar interno controlada pela tomada de arexterno, e o ar retorno misturado com ar de renovao, para ento passar pelosprocessos de resfriamento, aquecimento ou desumidificao.
Figura 4.1. Sistema de climatizao de zona simples.
4.2. Clculo da capacidade de refrigerao em um sistema de zona simples
Considere o sistema de refrigerao mostrado na figura 4.1. A carga trmica ( TQ& ) a
taxa com o calor gerado ou absorvido pelo ambiente interno, e seu clculo ser vistono item 6.3. Para que o recinto (ambiente climatizado) mantenha sua temperatura
constante, a taxa de absoro de calor deve ser a mesma que a de rejeio.A entalpia em 2 obtida a partir do estado do ar no recinto (dados do projeto). O ponto1 o estado do ar no ambiente externo, o que tambm definido como condio deprojeto (depende da localizao da edificao).
A vazo de ar total m& obtida a partir do dados de projeto (item 6.3), assim como asfraes 1m& (ar de renovao) e 2m& (ar de retorno):
mmm 21 &&& =+
Para o clculo da entalpia em 4, aplicamos a 1a Lei da Termodinmica para umvolume de controle, considerando regime permanente e variaes desprezveis develocidade e altura do ar. Assim, temos no recinto:
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
50/159
49
( )42T hhmQ = &&
m
Qhh T24
&
&
=
No clculo da carga trmica, so estimadas as parcelas de calor sensvel e latente(item 6.3), permitindo determinar o FCS. Aplicando as definies de calor sensvel elatente, possvel determinar a temperatura e umidade absoluta no ponto 4:
T
SS
42
42
Q
q.m
q
q
hh
TTFCS
&
&==
=
m
Q.FCSTqTT T2S24
&
&
==
m
Q.FCS1q TL
&
&
=
( )[ ]( )4v
L22v4Th
1qW.ThW =
Com as fraes de vazo mssica e as entalpias em 1 e 2 conhecidas, possveldeterminar a entalpia em 3, a partir de uma mdia ponderada:
mhmhmh 22113
&&&
+=
Aplicando a 1a Lei serpentina de resfriamento, temos:
)hh(mQ 34R = &&
Note que, por uma questo de coerncia fsica, o resultado dever ser negativo, umavez que a Capacidade de refrigerao a taxa com que o calor rejeitado.
4.3. Classificao dos sistemas de climatizao
- Quanto utilizao: residencial, comercial, hospitalar, industrial ou automotivo.- Quanto capacidade: grande, mdio ou pequeno porte.- Quanto ao sistema de expanso: direta e indireta.
Sistema de expanso direta: o ar a ser climatizado entra em contato direto comoevaporador.
Sistema de expanso indireta: um fluido intermedirio, geralmente gua gelada,
utilizado para resfriar o ar.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
51/159
50
4.4. Sistemas de refrigerao de zona simples
4.4.1. Condicionadores de ar de janela
Geralmente so instalados em paredes ou janelas em uma altura de 1,60 m. Acapacidade de resfriamento varia de 0,5 a 3,0 TR (tonelada de refrigerao). So
basicamente para emprego em residncias ou escritrios. Jamis devem ser instaladosna parte inferior das paredes.
Figura 4.2. Condicionador de janela.
4.4.2. Sistemas tipo Self-contained
So sistemas flexveis, de maior capacidade, para usos domsticos ou comerciais.Podem ser instalados diretamente no recinto a ser climatizado ou em casas demquina, contendo dutos de insuflamento.
Figura 4.3. Condicionador tipo self-contained com rede de dutos.
Podem ser fornecidos com condensao a ar ou a gua. O tipo com condensao a aracoplado utiliza um ventilador centrfugo para movimentar o ar entre as aletas docondensador e para retirar o calor do fluido refrigerante.
No sistema com condensao a ar remoto a unidade evaporadora instalada nasproximidades ou no prprio local a ser condicionado, e a unidade condensadora instalada externamente ao ambiente. As duas unidades so ligadas por uma tubulaode cobre isolada termicamente.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
52/159
51
Figura 4.4. Sistema com condensao a ar remoto.
O sistema com condensao a gua emprega uma torre de resfriamento de gua paraseu funcionamento. A gua aquecida que sai do condensador bombeada at a torre,sendo resfriada pelo ar atmosfrico.
Figura 4.5. Sistema com condensao a gua.
4.4.3. Sistemas tipo splits
Esses sistemas so adaptveis ao ambiente, pois podem ser embutidos, e funcionamcom baixo nvel de rudo. O compressor fica na parte externa, junto ao condensador
Figura 4.6. Instalao de um sistema split.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
53/159
52
O evaporador e ligado aos sistemas de compresso e condensao por tubos decobre. Assim, um condensador pode atender a vrios evaporadores.
Figura 4.7. Bancada didtica de um condicionador tipo split.
4.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller
um sistema de expanso indireta com condensao a ar ou gua. O ambiente a serclimatizado troca calor com uma serpentina equipada com ventilador. Na serpentinacircula gua fira, proveniente do chiller. A gua entra a uma temperatura da ordem de7o C e sai por volta de 12o C. O calor absorvido pela gua eliminado no evaporador
do chiller. O fluido refrigerante do chiller condensado atravs de gua proveniente deuma torre de resfriamento.
Figura 4.8. Esquema de um sistema fan coil/chiller.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
54/159
53
Figura 4.9. Unidade resfriadora - chiller.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
55/159
54
5. COMPONENTES DO SISTEMA
Os componentes bsicos de circuito de compresso vapor so mostrados na figura aseguir:
Figura 5.1. Circuito de refrigerao.
5.1. Compressores
Funo: aumentar a presso do fluido.
Compressores volumtricos ou de deslocamento positivo: o aumento depresso se d de forma parcialmente esttica, atravs da reduo do volumeocupado pelo vapor. So os mais empregados em refrigerao.
Turbo - Compressores: o gs acelerado aps a passagem pelas palhetas.
Hermticos: motor e compressor esto isolados na mesma carcaa, semacesso. o tipo comumente empregado em condicionadores de ar domsticos.
Semi hermticos: motor e compressor esto na mesma carcaa, porm existeacesso.
Aberto: motor e compressor esto separados.
Pode existir mais de um estgio de compresso.
Os compressores podem ser refrigerados gua ou a ar.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
56/159
55
5.1.1. Compressores alternativos
Figura 5.2. Compressor alternativo.
Figura 5.3. Funcionamento de um Compressor alternativo.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
57/159
56
Figura 5.5. Compressor hermtico.
.
Figura 5.4. Representao dos estgios de compresso.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
58/159
57
Figura 5.6. Compressor alternativo de amnia com 16 cilindros.
Figura 5.7. Compressor semi-hermtico.
5.1.2. Compressor rotativo
Pode ser de palhetas simples ou mltiplas.
Apresentam menor vibrao: ao empregados em aparelhos de janela comcapacidade superior a 12.000 BTU/h (aproximadamente 3,5 kW).
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
59/159
58
Figura 5.8. Compresso por pisto rolante.
Figura 5.9. Compressor rotativo (de palhetas) em corte.
5.1.3. Compressores de parafuso
Menos peas sujeitas a desgaste.
Maior razo de compresso.
Estabilidade quanto aspirao de lquido.
Figura 5.10. Compressor do tipo parafuso.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
60/159
59
Figura 5.11. Corte transversal dos rotores.
Figura 5.12. Vista explodida dos principais componentes de um compressor parafuso.
Figura 5.13. Um sistema compacto de resfriamento de gua com compressorparafuso.
5.1.4. Compressores centrfugos
Usado em sistemas de grande capacidade.
Menor peso, mais compacto, menor vibrao.
O desgaste s ocorre nos mancais principais.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
61/159
60
Figura 5.14. Compressor centrfugo.
Figura 5.15. Sistema com compressor centrfugo.
5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol)
Ausncia de vlvulas de suco e descarga.
Baixo rudo e vibrao
So compactos, leves e de alta eficincia.
Tem origem recente, e vem ganhado espao na rea de refrigerao.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
62/159
61
Figura 5.16. Funcionamento de um compressor caracol.
5.2. Evaporadores
Retiram calor do meio a ser refrigerado.
Expanso direta: o calor retirado pelo fluido refrigerante.
Expanso indireta: empregam serpentinas de gua gelada. Permitem acentralizao da produo de frio na casa de mquinas.
Os tubos podem ser lisos ou possuir aletas externas ou internas.
Figura 5.17. Evaporadores aletados para resfriamento e desumidificao.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
63/159
62
Figura 5.18. Evaporador do tipo tubo e carcaa.
Figura 5.19. Evaporador seco controlado por vlvula de expanso.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
64/159
63
Figura 5.20. Evaporador tipo inundado.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
65/159
64
Figura 5.22. Variao das temperaturas no evaporador.
Figura 5.23. Serpentina de resfriamento.
Figura 5.21. Processo de trocas trmicas no evaporador.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
66/159
65
Figura 5.24. Um resfriador de lquido na qual o refrigerante se evapora dentro detubos aletados.
5.3. Condensadores
Figura 5.25. Condensador tipo duplo tubo.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
67/159
66
Figura 5.26. Condensador de casco e serpentina.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
68/159
67
Figura 5.27. Condensador resfriado gua do tipo multitubular em carcaa.
Figura 5.28. Condensador resfriado a ar.
Na tabela a seguir so listados alguns tipos de evaporadores e condensadores:
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
69/159
68
5.4. Torres de Resfriamento e Condensadores Evaporativos
Figura 5.29. Torre de resfriamento tpica.
Figura 5.30. Instalao de Torre de resfriamento.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
70/159
69
Figura 5.31. Esquema de enchimento do interior das torres de resfriamento.
Condensadores evaporativos: composio de condensador e torre deresfriamento em uma s pea.
5.31
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
71/159
70
Figura 5.32. Esquema de um condensador evaporativo.
Figura 5.33. Seo das serpentinas de um condensador evaporativo.
5.5. Dispositivos de expanso
Controlam a quantidade de lquido no evaporador.
Evitam que o vapor seja aspirado pelo compressor em temperatura excessiva.
Impedem que o lquido seja aspirado pelo compressor.
Tubo capilar: o dispositivo mais simples. O fluido perde presso devido ao atritocom as paredes do tubo, que podem chegar aos 0,6 mm de dimetro. O comprimentodo tubo depende do tipo de fluido e da razo de compresso do sistema. Necessita deum torque menor durante a partida do compressor.
Vlvula de expanso direta: tambm camada de vlvula de expanso pressostticaou automtica. O elemento de comando pode ser uma membrana ou diafragma, oufole de fechamento hermtico.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
72/159
71
Figura 5.34. Vlvula de expanso termosttica.
O funcionamento depende da diferena de presses na linha do evaporador eno ambiente.
Vlvula de expanso termosttica: difere da anterior por possuir um bulbotrmico. mais empregada em instalaes comerciais e industriais.
usada para regular o fluxo de refrigerante, garantindo a evaporao completana serpentina e mantendo um superaquecimento constante do vapor na sadada serpentina.
O movimento do diafragma para baixo afasta a agulha. O contrrio estrangula
a passagem de lquido. Com a temperatura, sobe a presso do bulbo (P b). Areduo da presso no evaporador (Pev) faz o diafragma desce, facilitando apassagem do lquido.
Na figura abaixo, o ponto A a abertura original. Com o aumento da cargatrmica, a abertura passa para o ponto B. Com a diminuio, para o ponto C.
Figura 5.35. Regulagem automtica da vlvula de expanso termosttica.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
73/159
72
Vlvulas de expanso direta com equalizao interna de presso: so indicadasquando a queda de presso ao longo do evaporador insignificante.
Figura 5.36. Funcionamento de uma vlvula com equalizao interna de presso.
Vlvulas de expanso termosttica com equalizao externa de presso: quando aqueda de presso por atrito no evaporador elevada. O que implica uma temperaturade saturao mais baixa na sada que na entrada. Nesse caso, para manter acondio de equilbrio, preciso um maior grau de superaquecimento, o que reduz area efetiva de resfriamento do evaporador, comprometendo a eficincia trmica.
Na figura a seguir, mostrado um sistema com perda de carga no evaporador de 62kPa. A tabela indica o comportamento do sistema de acordo com abertura oufechamento da vlvula, e adio ou retirada de refrigerante.
Figura 5.37. Funcionamento de uma vlvula com equalizao externa de presso.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
74/159
73
Exemplo de aplicao: considere R 12 circulando no sistema ilustrado na figura aseguir. Suponha que a presso do fluido refrigerante no ponto 2 seja 868 kPa. Oevaporador oferece uma perda de presso de 50 kPa. A vlvula provoca uma perdade presso de 600 kPa. A presso imposta pela mola de 60 kPa.
a) qual o grau de superaquecimento na sada do evaporador quando se utiliza uma
vlvula de expanso termosttica com equalizador interno de presso?b) qual o grau de superaquecimento na sada do evaporador quando se utiliza umavlvula de expanso termosttica com equalizador externo de presso?
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
75/159
74
5.6. Linhas de fluido refrigerante
Proporcionam o trfego de fluido refrigerante entre os componentes.
Devem ter baixa perda de carga.
Em sistemas que utilizam compressores alternativos, sempre h circulao deleo. O projeto de linha deve prever o retorno do leo ao crter do compressor.
A tubulao deve estar levemente inclinada no sentido do fluxo, o que ajuda ofluxo de leo na direo correta.
Deve estar prevista a absoro de vibraes e curvas de compensao.
5.7. Acessrios
Termostato: indicam as variaes de temperatura e controlam contatos eltricos.
Visor de lquido: indica a presena de vapor no condensado antes da vlvula de
expanso.
Figura 5.38. Alguns tipos de visores de lquido.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
76/159
75
Manmetro: usados para medir presso em pontos da linha.
Figura 5.39.Manifoldutilizado em refrigerao e ar condicionado.
Filtro secador: colocado na linha de lquido, serve para retirar a umidade do circuito.
Vlvulas de servio, segurana e solenide: servem para fechar partes do circuitopara manuteno, evita o excesso de presso, e bloqueia o refrigerante na linha delquido antes da vlvula de expanso, para evitar retorno de refrigerante.
Presostatos: o pressostato de alta desliga o sistema quando a presso de descarga excessiva. O pressostato de baixa desliga o sistema quando a presso de suco muito baixa. O pressostato de leo controla a presso de lubrificao do compressor.
Outros acessrios: acumulador de suco, separador de leo, etc.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
77/159
76
6. NOES DE PROJETO DE CLIMATIZAO
6.1. Princpios
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
78/159
77
6.2. Condies de projeto
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
79/159
78
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
80/159
79
6.3. Estimativa da carga trmica
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
81/159
80
6.3.1. Parcelas da carga trmica
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
82/159
81
Tabela 6.1.
6.1
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
83/159
82
Tabela 6.2.
6.1
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
84/159
83
Figura 6.1. Insolao x orientao solar da parede.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
85/159
84
Tabela 6.3
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
86/159
85
Tabela 6.4
Tabela 6.5
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
87/159
86
Tabela 6.6
Tabela 6.7
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
88/159
87
Tabela 6.8
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
89/159
88
Tabela 6.9
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
90/159
89
6.11
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
91/159
90
Tabela 6.10.
Tabela 6.11.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
92/159
91
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
93/159
92
6.3.2. Determinao da vazo total de insuflamento
Para a determinao da vazo total, necessrio conhecer a taxa de renovao, ou seja, a
razo entre o ar de renovao (ventilao) e a vazo total insuflada no recinto (lembrando queparte de vazo ar recirculado).
Em recintos ocupados por pessoas, a admisso de ar externo uma necessidade, como
observado no item anterior (na seo infiltrao e ar de renovao). A ventilao responsvel por uma parte significativa da carga nos equipamentos de refrigerao. As taxas
em cada recinto devem variar de acordo com sua ocupao (ex: se h fumantes ou no). Emalgumas aplicaes onde o condicionamento de ar se destina ao conforto, a vazo mnima de
ar externo de 10 a 20 % da vazo total de ar insuflado. Em aplicaes especiais, como, por
exemplo, salas de operao de hospitais e salas para cobaias, o ar insuflado inteiramenteexterno, sendo condicionado para satisfazer as condies internas especificadas, no havendo
recirculao nesse caso.A recirculao de ar implica na necessidade de filtragem do mesmo. Assim, a taxa de
recirculao pode ser definida pela eficincia do filtro. Segundo a norma ASHRAE:
VR VVV&&& +=
Onde:
V& a vazo total de insuflamento (ponto 4 de um sistema de zona simples)
RV& a vazo de recirculao
VV& a vazo de ventilao (ar de renovao)
E
VVV min0R
&&&
=
0V& a taxa de renovao prescrita para uma dada aplicao
minV& a taxa mnima permissvel de renovao prescrita para uma dada aplicao
E a eficincia do filtro, dada pela tabela 6.12
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
94/159
93
Tabela 6.12. Eficincia de remoo de poeiras (1m) segundo a ASHRAE.
Uma vez determinada, a vazo total em volume pode ser convertida em vazo mssica e
utilizada nos clculos de dimensionamento sistema (item 4.2).
6.3.3. Armazenagem
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
95/159
94
6.3.4. Zoneamento
Fi ura 6.2. Efeito do zoneamento.
6.2
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
96/159
95
6.3.5. Aquecimento
6.3.6. Sombreamento
Figura 6.3.ngulos solares.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
97/159
96
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
98/159
97
6.4. Exemplo
Considere a edificao descrita a seguir. Pede-se:
a) Clculo das carga trmica trmicas total, sensvel latente, FCS e zoneamento
b) Caracterizao do estado do ar em cada ponto do sistema
c) Dimensionamento do sistema de refrigerao (Capacidade de refrigerao e vazototal)
Descrio da edificao:
O prdio a ser condicionado uma edificao (v. croquis anexo) a ser usada nos perodosda manh e tarde (de 9:00 s 18:00) para atividades administrativas.
Estimar o nmero de funcionrios e a iluminao necessria segundo as normas
adequadas.
Contabilize um computador por funcionrio.
Localizao: Cidade do Rio de Janeiro (22o 54 36 s).
O Teto uma laje de concreto com areia e brita, de 8 cm de espessura, coberta com umtelhado de telhas de cermica.
As paredes (internas e externas) so de alvenaria, com 15 cm de espessura e altura de3m.
As janelas so de vidro simples com sombreamento e cortinas internas.
As portas so de madeira (para efeito de clculo, considerar como paredes).
Levar em conta uma taxa de renovao de ar de 10%
Iluminao com lmpadas fluorescentes.
Desprezar infiltrao, sombreamento e armazenamento.
Quaisquer informaes faltantes que se julgar necessrias podem ser estimadas eagregadas s informaes apresentadas no projeto original.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
99/159
98
Portas: 0,90 x 2,10 m
Janelas: 1,50m de altura
Basculante do banheiro: 0.5 m de altura
Os dois escritrios tm as mesmas dimenses.
A sala de reunies e a sala de direo tm as mesmas dimenses.
10 m
Sala da 2 m 1 mDireo (D)
3 m 4 mBanheiro
Sala de reunies (B)(R)
Corredor (C)
Escritrio (E1) Escritrio (E2)
N16 m
O L
11 m S8 m 5 m
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
100/159
99
Soluo:
Entradas do projeto:
Ambiente externo (ponto 1 da Fig. 4.1): da Tabela I-A, Tbs = 35o C e Tbu = 26,5
o C
Ambiente interno (ponto 2 da Fig. 4.1): da Tabela III, considerando a finalidade conforto,e tirando a mdia do intervalo, temos Tbs = 24o C e = 50 %
Carga interna da edificao:
Ocupao: segundo a tabela 6.10, para escritrios, temos 6 pessoas/m2 (aplicado aosrecintos D, E1 e E2). Para salas de conferncia, 0,7 pessoas/m2. Ser considerada umaocupao de 1 pessoa para o banheiro e nenhuma no corredor.
De acordo com a tabela 6.11, a taxa de metabolismo por pessoa de 113 kcal/h. Paraescritrios a 24o C (temperatura do ambiente interno), temos 61 kcal/h e 52 kcal/h para as
parcelas de calor sensvel e latente, respectivamente. Aplicando o fator de converso de1,162 W/(kcal/h), essas taxas se tornam 131 W (metabolismo total) e 71 w/60 W (parcelasde calor sensvel/latente).
Iluminao: considerando 40 W/m2, aplicado o multiplicador 1,25 para iluminao porlmpada fluorescente.
Equipamentos: considerado 1 computador por funcionrio fixo (o que corresponde a 2funcionrios na sala da direo e 9 em cada escritrio). Se cada computador operar a 220V de tenso, com uma corrente de 1 A, a potncia dissipada ser considerada como 220V x 1 A = 220 W/computador;
Recinto rea(m2)
Ocupao(pessoas)
CargaSensvel
(W)
CargaLatente
(W)
OcupaoCarga
Total (W)
Ilumi-nao(W)
Equipa-mentos(comp.)
Equip.(W)
Total(W)
D 12 2 142 120 262 600 2 440 1302R 12 17 1207 1020 2227 600 0 0 2827B 6 1 71 60 131 300 0 0 431C 20 0 0 0 0 1000 0 0 1000E1 55 9 639 540 1179 2750 9 1980 5909E2 55 9 639 540 1179 2750 9 1980 5909
Total 160 38 2698 2280 4978 8000 20 4400 17378Carga externa da edificao:
Coeficiente de transmisso:Da tabela 6.1, temos:Paredes (e portas ver enunciado): U = 2,5 W/m2.oCTelhado: U = 1,95 W/m2.oCDa tabela 6.2 Janelas: U = 6 W/m2.oC
Superfcies opacas
DTC das paredes: valor mximo (18 h), extrado da Tab. 6.8.DTC do telhado: valor mximo (17 h), extrado da Tab. 6.9.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
101/159
100
Parede rea
Total(m2)
reaOpaca(m2)
reaJanela(m2)
UW/m2.oC
DTC(o C)
DTCCorr.(o C)
Carga(W)
N 30 23,5 6,5 2,5 12,7 19,7 1157S 30 30 0 2,5 9,6 16,6 1245
L 48 36 12 2,5 18 25 2250O 48 36 12 2.5 17 24 2160Telhado 160 160 0 1.95 37 44 13728Total 20540
Superfcies transparentes:
FGCI: valores mximos, extrados da Tab. 6.3.FCR: valores mximos, extrados da Tab. 6.6.CS: extrado da Tab. 6.7.
Janela rea(m2)
UW/m2.oC
DT( C)
Trans(W)
FGCI
FCR CS Insol(W)
Carga(W)
N 6,5 2,5 11 429 655 0,83 0,6 2120 2549S 0 2,5 11 0 199 0,89 0,6 0 0L 12 2,5 11 792 764 0,62 0,6 3410 4202O 12 2.5 11 792 764 0,81 0,6 4456 5248Total 2013 9986 11999
Zoneamento
A carga trmica externa distribuda no recinto proporcionalmente rea das paredes.Telhado e janelas daquele recinto.
Se houvesse diferena de temperatura entre os recintos internos, a carga deveria ter sidocalculada.
Recinto Cargainterna
(W)
rea(m2)
Cargatelhado
(W)
reaopaca(m2)
CargaParedes
(W)
reaTransp.
(m2)
CargaJanelas
(W)
Total(W)
D 1302 12 1029,6 18.0 983,0 3,0 1176,5 4491,1R 2827 12 1029,6 9,0 443,0 3,0 1176,5 5476,1
B 431 6 514,8 14,5 833,5 0,5 196,0 1975,3C 1000 20 1716,0 12,0 735,0 0,0 0,0 3451,0E1 5909 55 4719,0 36,0 1882,5 12,0 5248,0 17758,5E2 5909 55 4719,0 36,0 1935,0 12,0 4202,0 16765,0Total 17378 13728,0 6812,0 11999 49917,0
Clculo da carga trmica:
Carga trmica total:
Carga interna + Carga externa (paredes) + Carga externa (janelas) =17378 W + 20540 W + 11999 W = 49917 W
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
102/159
101
Carga Trmica Latente: 2280 W
Carga Trmica Sensvel: 47637 W
FCS: 47637/49917 = 0,954
Resposta do item (a): kW50QT =& ; kW3,2QL =& ; kW7,47QS =& ;FCS = 0,95
Caracterizao dos estado do ar: os pontos do sistema so mostrados na Fig. 4.1
Vazo mssica total: considerando 38 pessoas, e uma vazo de ar externo recomendadade 27 m3/h por pessoa (v. item 6.3.1, infiltrao e ar de renovao), temos que a vazo dear de renovao ser: 27 x 38 = 1026 m3/h, ou seja:
s/m285,0V 3V =&
com uma taxa de renovao de 10 %, temos:
s/m57,2V 3R =&
s/m85,2V 3=&
Ponto 1:
Ar externo, TBS1 = 35o C e TBU1 = 26,5
o C
W1 = 0,01856 kg-v/kg-ar secoh1 = 82,61 kJ/kgv1 = 0,898 m
3/kg
Ponto 2:
Ar interno, TBS2 = 24o C e 2 = 0,5
W2 = 0,00929 kg-v/kg-ar secoh2 = 47,65 kJ/kgv2 = 0,854 m
3/kg
Considerando as vazes estimadas para essas condies, possvel determinar asvazes mssicas a partir das propriedades do ponto 2:
s/kg34,0kg/m854,0
s/m285,0
v
Vmm
3
3
2
VV1 ====
&
&&
s/kg0,3kg/m854,0
s/m57,2
v
Vmm
3
3
2
RR'2 ====
&
&&
s/kg34,3kg/m854,0
s/m85,2
v
Vmmmm
3
3
2
432 ======&
&&&&
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
103/159
102
Ponto 3:
Mistura das correntes 1 e 2:
W3 = 0,01023 kg-v/kg-ar secoh3 = 51,21 kJ/kg
T3 = 25,1o
C (0,13 % de erro, aplicando a mdia ponderada)v3 = 0,853 m3/kg
Ponto 4:
A partir da equao:
)hh(mQ 42T = &&
Obtm-se:
h4 = 32,68 kJ/kg
Com o valor de FCS, obtm-se:
T4 = 9,7o C
W4 =0,00912 kg-vapor/kg-ar seco
v4 = 0,813 m3/kg
Resposta do item (b): o estado do ar em cada ponto mostrado na tabela a seguir.
Propriedade \ ponto 1 2 3 4T (O C) 35 24 25,1 9,7h (kJ/kg) 82,61 47,65 51,21 32,68W (kg-vapor/kg-ar seco) 0,01856 0,00929 0,01023 0,00912v (m3/kg) 0,0898 0,0854 0,858 0,813
Dimensionamento do sistema
A vazo total j foi determinada. Falta determinar a capacidade de refrigerao.
)hh(mQ 34R = &&
kW9,61)21,51kg/kJ68,32(s/kg34,3QR ==&
Resposta do item (c):Vazo mssica total: 3,34 kg/sVazo volumtrica: 2,85 m3/sCapacidade de refrigerao: 62 kW
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
104/159
103
7. VENTILAO
7.1. Dimensionamento da rede de dutos
7.1.1. Arbitragem de velocidades
Figura 7.1. Rede de dutos.
7.1
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
105/159
104
Tabela 7.1.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
106/159
105
7.1.2. Mtodo de igual atrito
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
107/159
106
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
108/159
107
7.1.3. Mtodo da recuperao de presso
Tabela 7.2.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
109/159
108
Figura 7.2. Rede de dutos.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
110/159
109
Grfico 1 Relao L/Q
Grfico 2 Velocidade do ar aps derivao
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
111/159
110
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
112/159
111
7.2. Estimativa da perda de carga
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
113/159
112
Figura 7.3. baco de Moody
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
114/159
113
Figura 7.4. Determinao da rugosidade relativa em funo do dimetro e caractersticasdo tubo.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
115/159
114
Tabela 7.3.
Tabela 7.4.
Tabela 7.5.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
116/159
115
Tabela 7.6.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
117/159
116
Tabela 7.8.
Tabela 7.7.
Tabela 7.9.
7.9
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
118/159
117
Tabela 7.10.
Tabela 7.11.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
119/159
118
7.3. Distribuio do ar
Grelhas de retorno
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
120/159
119
Bocas de insuflamento
Figura 7.5. Difusor tpico.
Figura 7.6. Insuflamento de ar em um ambiente.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
121/159
120
Figura 7.7. Algumas conseqncias da induo de ar externo..
Figura 7.8. Queda de um jato de ar frio e desvio ao atingir um obstculo.
Chapas galvanizadas
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
122/159
121
Tabela 7.12. Bitolas de chapas para a fabricao de dutos rgidos em sistemas debaixa presso (velocidades ata 10 m/s).
Casa de mquinas
Figura 7.9. Esquema de uma casa de mquinas.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
123/159
122
Isolamento da rede de dutos
Figura 7.10. sistema de isolamento dos dutos.
Suporte dos dutos
Filtros
7.13
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
124/159
123
Tabela 7.13. Resumo dos tipos de filtros para climatizao NB-10.
Tomada de ar externo
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
125/159
124
Tabela 7.14. Resumo de alguns tamanhos comerciais de tomadas de ar externo.
7.4. Ventiladores
Uma vez que foi determinado o traado dos dutos e calculada a perda de carga, necessrio dimensionar o ventilador responsvel pela circulao do ar no sistema dedutos com a vazo desejada. O ventilador deve ser capaz de gerar um presso de sadasuperior queda de presso do ar nos dutos, desde a admisso at a exausto. O tipo
mais comumente empregado de ventilador so os centrfugos. A seguir, sero vistosdetalhes do funcionamento, dimensionamento e ajustes dos ventiladores usados emcondicionamento de ar.
7.4.1. Ventiladores centrfugos e suas caractersticas
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
126/159
125
Figura 7.11. Ventilador centrfugo.
Figura 7.12. Caractersticas de desempenho de um ventilador centrfugo de pscurvas voltadas para a frente, com dimetro de roda e largura iguais a 270 mm, e
dimenses do duto de sada de 0,517 por 0,289 mm.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
127/159
126
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
128/159
127
7.4.2. Leis dos Ventiladores
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
129/159
128
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
130/159
129
7.5. Exemplo
A partir do exemplo 6.4, traar e dimensionar a tubulao de distribuio do ar. Calcular aperda de carga.
Empregar o mtodo da arbitragem de velocidades.
Supor que todas as grelhas tm profundidade de penetrao de 3m e perda de cargadesprezvel.
Soluo: Uma distribuio possvel mostrada a seguir. Um self-containedde expansoindireta empregado, e a unidade de condensao colocada na face sul, de modo areduzir a insolao. Os quadrados brancos so as grelhas de insuflamento docorredor.Para o retorno sero empregadas grelhas nas portas dos recintos.
10 m
Sala da 2 m 1 mDireo (D)
3 m 4 mBanheiro
Sala de reunies (B)(R)
Corredor (C)
Escritrio (E1) Escritrio (E2)
N16 m
O L
11 m 5 m S
8 m
SELFCONTAINED
UNIDADE DECONDENSAO
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
131/159
130
Os componentes e dimenses da tubulao so marcados a seguir.
De acordo com a tabela 7.1, na coluna Escolas, teatros e edifcios pblicos, asvelocidades recomendadas so:Duto principal: 5 a 6,5 m/s, mdia de 5,75 m/sRamais horizontais: 3 a 4,5 m/s, mdia de 3,75 m/sRamais verticais (no h no projeto)
Para facilitar os clculos, adotaremos uma nica velocidade, mdia das mdias, de 4,75m/s, arredondando para 5 m/s. tal velocidade se encontra abaixo do mximo para ambosos casos. As vazes listadas so obtidas proporcionalmente carga trmica do recinto.Nos casos 5,6 e 7, como h duas grelhas em cada recinto, elas devero ser somadas
para obter o total do recinto.
Recinto Cargatrmica
(W)
VazoVolumtrica
(m3/s)D 4491,1 0,256R 5476,1 0,313B 1975,3 0,113C 3451,0 0,197E1 17758,5 1,014
E2 16765,0 0,95749917,0 2,85
Admissoe
Sadas
VazoVolumtrica
(m3/s)V1 2,850V2 0,113V3 0,313V4 0,256V5 0,479
V6 0,507V7 0,099
V4 V3 V2
V1
1 m
3 m4 m
5 m0,5 m
2 m
1 m
3 m
6 m
5 m 2,5 m
V6 V5
V5V6
V7
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
132/159
131
Com a velocidade fixada, possvel encontrar a rea da seo do tubo. Para odimensionamento dos tubos retangulares, ser considerada uma altura fixa de 30 cm. Emum projeto real, essa altura pode (ou deve) variar, para se adaptar utilizao ou manteruma razo de aspecto aceitvel. Uma vez fixada a altura, encontrada a largura do tubo.Na figura a seguir, os elementos so numerados para determinao de suascaractersticas.
Tubos retos (perda de carga contnua)
item Vazo(m3/s)
Vel.(m/s)
rea(m2)
Altura(m)
Largura(m)
Dh(m)
Re f L(m)
P.C.(Pa)
1 2.850 5 0.570 0.30 1.90 0.52 1.7x105 0.017 1.0 0.483 0.113 5 0.023 0.30 0.08 0.12 4 x 104 0.022 1.0 2.67
4 2.737 5 0.547 0.30 1.82 0.52 1.6x105
0.017 1.5 0.726 2.638 5 0.528 0.30 1.76 0.52 1.6x105 0.017 1.5 0.738 0.313 5 0.063 0.30 0.21 0.25 8 x 104 0.020 1.0 1.199 2.325 5 0.465 0.30 1.55 0.50 1.6x105 0.017 1.0 0.4911 0.353 5 0.071 0.30 0.24 0.26 8 x 104 0.020 2.5 2.7713 0.254 5 0.051 0.30 0.17 0.22 7 x 104 0.020 0.5 0.6815 0.254 5 0.051 0.30 0.17 0.22 7 x 104 0.020 1.0 1.3516 1.972 5 0.394 0.30 1.31 0.49 1.6x105 0.017 3.0 1.5318 0.479 5 0.096 0.30 0.32 0.31 1.0x105 0.019 2.0 1.8019 0.507 5 0.101 0.30 0.34 0.32 1.0x105 0.019 2.0 1.7520 0.986 5 0.197 0.30 0.66 0.41 1.3x105 0.018 6.0 3.8522 0.479 5 0.096 0.30 0.32 0.31 1.0x105 0.019 2.0 1.8023 0.507 5 0.101 0.30 0.34 0.32 1.0x105 0.019 2.0 1.75
V4 V3 V2
V1
V6 V5
V5V6
V7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1112
13
14
15
16
17
18
19
20
21
2223
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
133/159
132
Para o clculo da perda de carga contnua (tubos retos), o nmero de Reynolds foi obtidoa partir de uma viscosidade cinemtica do ar de 15,7 x 10 -6 m2/s, utilizando o dimetrohidrulico dos tubos de seo retangular. A rugosidade relativa usada foi a do aocomercial (0,00015). A massa especfica foi baseada no estado do ar no ponto 2:
= 1/v2= 1,171 kg/m3.
Acessrios (perda de carga Localizada)
item Tipo F Vel. deentrada
(m/s)
P.C.(Pa)
2 Bifurcao 1,00 5 14,65 Grelha
(ignorar)-
7 Bifurcao 1,00 5 14,610 Bifurcao 1,00 5 14,612 Grelha
(ignorar)-
14 Curva 1,04 5 15,217 Bifurcao 1,00 5 14,621 Bifurcao 1,00 5 14,6
Na curva 14 foi usado H/L de 2 (o mais prximo da razo correta, 1,77), considerandocanto vivo. Para as bifurcaes, assumiu-se que o fator de perda F unitrio, j que seuclculo depende do conhecimento detalhado de cada uma. Pode-se observar que asperdas em elementos localizados so bem maiores que nos tubos. Isso se deve ao
pequeno comprimento dos mesmos.
Agora, necessrio encontrar a sada que produzir a maior perda de carga. Em umprojeto real, necessrio calcular a perda de carga para todas as sadas. No nosso caso,as candidatas naturais so as sadas dos tubos 15, 22 e 23, que possuem as maioresextenses.
Perda de carga em cada linha
Item 1 2 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 TotalP. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 2,77 0 0,68 15,2 1,35 66,22
Item 1 2 4 5 6 7 9 10 16 17 20 21 22 TotalP. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 1,53 14,6 3,85 14,6 1,80 82,60Item 1 2 4 5 6 7 9 10 16 17 20 21 23 TotalP. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 1,53 14,6 3,85 14,6 1,75 82,55Assim sendo, a maior perda de carga de 82,6 Pa. O ventilador selecionado deve supriressa diferena de presso para garantir a vazo prescrita na linha. Como as outrasramificaes tm perdas menores, suas vlvulas devero ser ajustadas para produzir asvazes desejadas.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
134/159
133
8. REFRIGERANTES
8.1. Fluidos primrios e secundrios
Fluidos primrios: so os fluidos usados no ciclo de compresso do vapor. Sero
tratadas em detalhe na seo a seguir.
Fluidos secundrios: transferem energia da substncia que est sendo refrigeradapara o evaporador de um sistema de refrigerao. No apresenta mudana defase: a absoro e rejeio de calor se do por mudana de temperatura.Exemplos: gua, anticongelantes (mais usados:propileno-glicol, etileno-glicol,cloreto de clcio) e salmouras.
8.2. Tipos de refrigerantes primrios
Hidrocarbonetos halogenados: so os CFCs. A nomenclatura segue o seguintepadro (ASHRAE):
1 algarismo: nmero de tomos de carbono -1 (omitir o zero).
2 algarismo: nmero de tomos de hidrognio +1.
3 algarismo: nmero de tomos de flor.
Misturas azeotrpicas: no podem ser separadas em seus componentes pordestilao, ou seja, evapora e se condensa como uma substncia simples.Exemplos: R500 e R502.
Hidrocarbonetos: usados como refrigerantes nas indstrias petroqumicas.Exemplos: R50 (metano), R170 (etano), R290 (propano).
Compostos inorgnicos: os principais tipos so listados abaixo.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
135/159
134
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
136/159
135
BIBLIOGRAFIA
American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAEFundamentals Handbook, 1997.
Creder, H., Instalaes de Ar Condicionado, LTC, 1985.
Da Silva, J. G., Introduo Tecnologia da Refrigerao e da Climatizao,Artliber, 2004.
Da Silva, R. B.,Ar Condicionado, EPUSP, 1968.
Da Silva, R. B., Instalaes Frigorficas, EPUSP, 1979.
Dossat, R. J., Princpios de Refrigerao, Hemus, 1980.
Elonka, S. M., Minich, Q. W., Manual de Refrigerao e Ar Condicionado, McGraw-
Hill, 1978.
Jones, W. P., Engenharia do Ar Condicionado, Campus, 1983.
Mesquita, A. L. S., Guimares, F. A., Nefussi, N., Engenharia de VentilaoIndustrial, CETESB, 1977.
Stoecker, W. F., Jones, J. W., Refrigerao e Ar Condicionado, McGraw-Hill, 1985.Torreira, R. P., Isolamento Trmico Frio & Calor, Fulton, 1980.
U.S. Navy Bureau of Naval Personnel Training, Refrigerao e Condicionamento deAr, Hemus, 1980.
Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E., Fundamentos da Termodinmica Clssica, 2edio, Edgard Blcher, 1976.
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
137/159
136
ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES
Tabela A.1. Propriedades da gua saturadaTabela A.2. Propriedades do Ar mido presso atmosfricaTabela A.3. AmniaTabela A.4. R11
Tabela A.5. R12Tabela A.6. R22 - saturadoTabela A.7. R22 superaquecidoTabela A.8. R-502Figura A.1. Amnia Diagrama P x hFigura A.2. R11 Diagrama P x hFigura A.3. R12 Diagrama P x hFigura A.4. R22 Diagrama P x hFigura A.5. R502 Diagrama P x h
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
138/159
137
Tabela A.1. Propriedades da gua saturada
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
139/159
138
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
140/159
139
Tabela A.2. Propriedades do Ar mido presso atmosfrica 101.325 kPa
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
141/159
140
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
142/159
141
Tabela A.3. Amnia
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
143/159
142
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
144/159
143
Tabela A.4. R11
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
145/159
144
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
146/159
145
Tabela A.5. R12
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
147/159
146
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
148/159
147
Tabela A.6. R22 - saturado
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
149/159
148
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
150/159
149
Tabela A.7. R22 superaquecido
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
151/159
150
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
152/159
151
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
153/159
152
Tabela A.8. R-502
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
154/159
153
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
155/159
154
Figura A.1. Amnia Diagrama P x h
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
156/159
155
Figura A.2. R11 Diagrama P x h
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
157/159
156
Figura A.3. R12 Diagrama P x h
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
158/159
157
Figura A.4. R22 Diagrama P x h
7/27/2019 Notas de Aula Refrigeracao
159/159
Figura A.5. R502 Diagrama P x h