Transferência de Calor e Conforto Térmico na Engenharia de Produção

TRANSFERÊNCIA DE CALOR AULA 6 Prof Marcos Baroncini Proença 2 CONVERSA INICIAL Tratamos até o momento das transferências de calor por condução por convecção e por radiação Também tratamos de uma aplicação envolvendo a análise da troca térmica por condução e convecção juntas No entanto há também uma aplicação envolvendo as três formas de transferência de calor que é de suma importância para a Engenharia de Produção É a determinação da carga térmica no ambiente de trabalho a qual resulta na análise do conforto térmico um dos fatores que mais influenciam a produtividade Figura 1 Carga térmica Fonte Shutterstock Trataremos então nesta aula da determinação da carga térmica em ambientes de trabalho bem como passaremos uma noção de conforto térmico Figura 2 Carga térmica em domicílios Fonte Shutterstock 3 TEMA 1 NOÇÕES SOBRE CONFORTO TÉRMICO O conforto térmico é um conceito subjetivo determinado pelas condições de temperatura e umidade que proporcionam bemestar aos seres humanos Essa noção pode ser estendida em ambientas de produção industrial para os equipamentos e as instalações Porém o foco da noção de conforto térmico em termos de produção industrial é a resultante de temperatura e umidade que levarão às melhores condições de produtividade por parte dos funcionários Figura 3 Conforto térmico Fonte httpw3ualgpteconceiHuman20Thermal20Comforthtm Em termos básicos o conforto térmico trata da sensação de calor ou frio que sentimos Essa sensação se deve a alguns fatores do ambiente de trabalho como umidade relativa do ambiente temperatura e movimento do ar e temperatura superficial da pessoa A nossa temperatura superficial é função direta de como perdemos ou ganhamos calor por condução convecção evaporação e radiação Essa troca de calor é função de fatores fisiológicos como idade atividade sendo exercida e saúde da pessoa Interfere nesse processo de troca térmica a vestimenta que está sendo usada atuando como um isolamento térmico 4 Figura 4 Troca de calor pelo corpo humano Fonte Shutterstockcom Embora cada um de nós tenha suas próprias percepções de conforto térmico valores médios foram estabelecidos estatisticamente sempre tendo como meta atingir satisfação de no mínimo 80 dos funcionários do local de trabalho Normas técnicas foram estabelecidas em função desses valores médios As principais normas são da American Society of Heating Refrigerating and AirConditioning Engineers Standard 55 ASHRAE e a Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR6401 ABNT Figura 5 Gráfico de conforto térmico Fonte ASHRAE Standard 55 A ASHRAE 55 apresenta graficamente uma região de conforto térmico em função da temperatura e da umidade do ambiente de trabalho A ABNT NBR6401 estabelece em quadros as temperaturas e umidades recomendadas para verão e inverno 5 Tabela 1 Condições internas de conforto térmico para verão Fonte NBR 6401 Tabela 2 Condições internas de conforto térmico para inverno Fonte NBR 6401 O conceito de conforto térmico bem como as determinações das vazões de ventilação e sistemas de refrigeração necessários para manter as condições de conforto térmico serão vistos com maior profundidade na disciplina Sistemas Térmicos e de Geração de Energia É importante salientar que muitas vezes a melhor determinação da combinação temperatura e umidade deve ser auferida na instalação pois embora a instalação esteja dentro das normas pode ser uma causa para 6 afastamentos de funcionários e problemas de produtividade por estar gerando desconforto térmico Temperaturas entre 21C e 24C para uma umidade máxima de 65 são os parâmetros mais comumente usados em empresas e indústrias para manter os funcionários termicamente confortáveis TEMA 2 CARGA TÉRMICA TOTAL Carga térmica total é a quantidade de calor total que deve ser retirada do ambiente de trabalho para que se atinja o conforto térmico Outra forma de analisar é como a carga térmica total do ambiente de trabalho deve ser anulada parcial ou totalmente visando que se atinjam as condições de conforto térmico Figura 6 Carga térmica em um escritório Fonte Shutterstock Assim para que seja selecionado o melhor sistema de ventilação ou de condicionamento do ambiente de produção primeiro deve ser determinada essa carga térmica total a que os funcionários estão sujeitos A carga térmica total pode ser determinada pela seguinte expressão qT qc qI qIL qE qP qInf qV 1 Em que qT carga térmica total ou quantidade de calor total BTUh ou W 7 Cabe aí salientar que 1 W 3412 BTUh qC calor por condução e convecçãoW qI calor por insolação W qIL calor por iluminação W qP calor por pessoas W qE calor por equipamentos W qInf calor por infiltração W qV calor por ventilação W Trataremos separadamente de cada uma dessas cargas na sequência TEMA 3 CARGA TÉRMICA POR CONDUÇÃO E CONVECÇÃO A carga térmica por condução e convecção analisa a quantidade de calor imposta a um ambiente de trabalho levando em consideração o coeficiente global de troca térmica Para ambientes internos de trabalho normalmente esse coeficiente global é obtido pela sua expressão para paredes planas Caso haja tubulação passando pelo ambiente na qual circule vapor ou um fluido frio deve também ser incorporada a expressão do coeficiente global para tubulações Vídeo Assista ao vídeo httpswwwyoutubecomwatchvjwAdGX2yOA para visualizar a carga térmica em unidades industriais Assim conforme visto no Tema 2 da Aula 4 a expressão que usaremos para determinar a carga térmica será UA T qC UAT4 T1 2 Para paredes planas conforme visto no Tema 2 da Aula 4 o coeficiente global será determinado por 3 Com relação ao coeficiente de transferência de calor por convecção h embora já tenhamos visto como determinálo na Aula 3 tanto para convecção natural quanto para convecção forçada poderemos adotar aqui uma tabela de variação em função da velocidade de circulação do ar que nos permite determinar mais facilmente esse coeficiente com uma margem aceitável de 8 precisão Para valores intermediários das velocidades tabeladas usamos interpolação para a obtenção dos coeficientes relativos a elas Para valores maiores que o valor máximo da tabela usamos extrapolação Velocidade do ar kmh hBTUhft2 hWm2 0 146 163 0428 0478 12 4 1172 24 6 1758 Os coeficientes de transferência de calor por condução são obtidos das tabelas do Anexo 4 da Aula 2 Com relação à insolação devemos acrescentar um valor t à diferença de temperatura entre o meio interno e o meio externo do ambiente de trabalho T em virtude do telhado e das paredes Esse acréscimo ocorre devido à função da cor e da posição do telhado e das paredes na maior parte do dia com relação ao sol A tabela a seguir fornece esses valores de acréscimo da temperatura Tipo de superfície Valor de acréscimo de temperatura C Cor escura Cor intermediária Cor clara Telhado 25 17 8 Parede E e O 17 11 55 Parede N 8 55 3 TEMA 4 CARGA TÉRMICA DA INSOLAÇÃO E CARGA TÉRMICA POR ILUMINAÇÃO A carga térmica da insolação é a quantidade de calor por insolação que penetra em um ambiente resultante de interrelação de três fatores Energia refletida qR Energia absorvida qA Energia passante qP Energia refletida é a parte da insolação que o vidro não permite que passe através dele sendo portanto refletida Energia absorvida é a parte da insolação que o vidro absorve e que por consequência não atinge o ambiente A energia passante é aquela que efetivamente atinge o ambiente levando ao seu aquecimento 9 A expressão para o cálculo da carga térmica da insolação é qI KA 4 Em que K é o coeficiente de transmissão de calor solar através de vidros BTUh ft2 ou Wm2 que depende da posição relativa da janela com relação ao sol na maior parte do dia sendo determinado para os meses do ano e A sendo a área total ocupada pelas janelas Há uma tabela com valores de insolação no Anexo 1 Como mencionado por Proença 2015 Se houver algum tipo de proteção contra a radiação nas janelas devemos multiplicar os resultados obtidos pelos seguintes fatores da tabela abaixo Tabela 4 Fatores de redução da insolação por janelas em função do tipo de proteção Fonte Creder 2004 A carga térmica da iluminação nada mais é que somatória da potência dissipada pelo conjunto de luminárias que compõem a iluminação artificial do ambiente de trabalho Figura 7 Definição de luz Portanto essa carga térmica é calculada pela expressão qIL P 5 Em que P potência dissipada pela luminária W Tipo de proteção Fator Toldos ou persianas externos 015020 Persianas internas ou películas refletoras 05066 Cortinas internas brancas 025061 10 A NBR 6401 apresenta a potência dissipada por metro quadrado de área coberta pelas luminárias em função da quantidade de lux relação entre o fluxo luminoso que incide na direção perpendicular a uma superfície e sua área que proporciona Para obter o valor da potência dissipada deverá conhecer a necessidade de iluminação do local e o tipo de luminárias que será usado O Anexo 2 apresenta essa tabela TEMA 5 CARGA TÉRMICA POR EQUIPAMENTOS E POR PESSOAS A carga térmica por equipamentos é obtida pela somatória do calor dissipado por computadores motores e ventiladores qE qCOMP qMOT qVENT 6 No caso dos computadores o calor dissipado é a somatória do calor dissipado em cada computador 7 Tomando como base um PC de configuração padrão podemos dizer que ele consome uma potência aproximada de 460W Considerando que 15 dessa potência é dissipada na forma de calor podemos então estimar que cada computador dissipa na forma de calor aproximadamente 69W 11 Figura 8 Placa motor elétrico Para motores o calor dissipado é obtido pela expressão 2490 η P qMOT P 7 Sendo q o calor dissipado em BTUh P a potência do motor em HP e η o rendimento do motor Tanto a potência quanto o rendimento do motor são obtidos das placas presentes nas carcaças deles No caso de a potência do motor ser usada em CV o calor dissipado será em W e a expressão será 733 η P qMOT P 8 A carga térmica dissipada por ventiladores é obtida pelas expressões η 2490 qVENT P 9 η 733 qVENT P 10 12 Usamos aqui as mesmas observações que foram feitas para os motores Figura 9 Placa de um ventilador Quando não constar na placa o rendimento quer seja do motor quer seja do ventilador a tabela a seguir pode ser usada com um bom grau de precisão Tabela 5 Rendimento em função da potência do motor Potência HP Rendimento Aproximado Até ¼ 60 ½ a 1 70 15 a 5 80 75 a 20 85 Maior que 20 88 Fonte Creder 2004 A carga térmica por pessoas é obtida pela soma das cargas térmicas devidas a cada indivíduo em função principalmente da atividade exercida A NBR 6401 apresenta a carga térmica liberada por pessoas em kcalh Para transformar kcalh para W usar a relação 1 kcalh 1163W O Anexo 3 apresenta essa tabela 13 TEMA 6 CARGA TÉRMICA POR INFILTRAÇÃO E POR VENTILAÇÃO A carga térmica por infiltração de ar e por ventilação de ar são determinadas usando a mesma metodologia Cabe então definir a diferença entre a infiltração e a ventilação e como obter os dados para calcular a carga térmica devida a cada uma delas Infiltração de ar se refere à vazão de ar que entra no ambiente de trabalho por frestas em janelas e portas ou por portas abertas Ventilação por sua vez referese à entrada de ar forçada necessária às pessoas dentro de um ambiente e que é medida em metros cúbicos por pessoa por exemplo Tabelas com valores usados para vazão de infiltração e ventilação estão presentes na NBR6401 O Anexo 4 apresenta essas tabelas A carga térmica devido tanto à infiltração quanto à ventilação é dada pela somatória da carga fornecida pelo calor sensível com a carga fornecida pelo calor latente A expressão para determinação do calor específico é qS Q029TeTi Em que Q é a vazão de ar em m3h que por infiltração é fornecida para janelas e portas sendo para ventilação fornecida pela quantidade de ar em m3 necessária em função do tipo de ambiente e das pessoas Te é a temperatura do ambiente externo e Ti é a temperatura de conforto térmico para o ambiente de trabalho A expressão para determinação do calor latente é qL 583C Sendo C a capacidade calorífica JmolK dada por C UE2UE1 ρ Q Em que UE2 é a umidade específica do ar interno em kgkg UE1 é a umidade do ar de entrada em kgkg e ρ é a massa específica do ar em kgm3 A vazão Q é obtida pelas tabelas fornecidas no Anexo 4 Os valores de massa específica ρ são fornecidos por tabelas do Anexo 4 da Aula 2 Os valores de umidade específica são obtidos por cartas psicométricas O Anexo 5 apresenta cartas psicométricas e como levantar dados delas 14 NA PRÁTICA 1 Determinar a carga térmica por insolação em um ambiente de trabalho no período de janeiro a março sabendo que possui 50 m2 de área de janelas Determinar com e sem película de insulfilm sabendo que o ambiente ao longo do dia varia de NE para N para NO com relação ao Sol Resolução Sabemos que a expressão é qI KA K é determinado pela média aritmética dos valores encontrados no Anexo 1 Wm2 Assim Como A 50 m2 Teremos qI KA qI 312550 15625 W 15625 kW Cálculo com insulfilm Considerando insulfilm como superfície refletora temos o fator entre 050 e 066 para multiplicar com o resultado qI 15625058 90625 9062kW Obs Repare como o insulfilm reduziu o calor por irradiação 15 2 Sabendo que um escritório possui iluminação artificial com lâmpadas fluorescentes com 20 mesas tendo em cada mesa 1 computador e um funcionário e tendo 4 ventiladores de teto de ½ HP determinar a carga térmica devida à iluminação ao equipamento e às pessoas Resolução Sabemos que a carga térmica pela iluminação é dada por qIL P Do Anexo 2 Da tabela vemos que cada mesa necessitará de 1000 lux com potência dissipada de 40Wm2 Considerando 15 m2 por mesa e sabendo que temos 20 mesas teremos então qIL P 40 40 40 40 40 2040 800W O calor dissipado pelos computadores é dado por 69 69 69 2069 1380W O calor dissipado pelas pessoas é fornecido no Anexo 3 qP 20113 2260 kcalh 22601163 26284W A carga térmica dissipada pelos ventiladores é dada por η 733 qVENT P W qVENT 523 6 733 70 50 Como são 4 ventiladores qVENT 4 5236 20944W O calor total será então qT 800 1380 26284 20944 69028 W 6903kW 3 Determinar a quantidade de calor devida à infiltração e à ventilação para um ambiente de trabalho em um galpão com 50 funcionários e uma porta de 180 16 x 180 aberta constantemente e com um sistema de ventilação industrial Nesse galpão desejase manter uma temperatura de 24C para uma umidade de 50 e no ambiente externo temse uma temperatura média de 30C e uma umidade média de 30 Resolução Primeiro temos as expressões de calor sensível e calor latente para infiltração e para ventilação qS Q029TeTi qL 583C Em que C UE2UE1 ρ Q Do Anexo 4 teremos os valores de vazão de infiltração e de ventilação Assim a vazão de infiltração será de 1350m3h e a de ventilação será Qv 5013 650 m3h Do Anexo 5 teremos UE1 e UE2 que serão usados para infiltração e ventilação Da carta psicométrica UE2 0011kgkg de ar e UE1 0008kgkg de ar ρ será obtido do Anexo 4 da Aula 2 para a temperatura média T 27 273 300K ρ 11614 kgm3 Substituindo nas expressões teremos Ventilação qS 6500293024 1131 W 17 C 00110008 11614 650 2265 JmolK qL 5832265 13205 W qTV 113113205 24515W Infiltração qS 13500293024 2349 W C 00110008 11614 1350 4704 JmolK qL 5834704 27424 W qTI 234927424 50914W Assim o calor total por ventilação e infiltração será qT qTV qTI 83529W 835 kW SÍNTESE Após esta aula você adquiriu conhecimentos gerais sobre transferência de calor envolvendo simultaneamente condução convecção e radiação Também viu aplicações de expressões matemáticas para determinar a carga térmica bem como noção de conforto térmico Expanda seus conhecimentos lendo os anexos das rotas de aprendizagem assim como pesquisando sobre o assunto em outras leituras REFERÊNCIAS BIRD R B STEWART W E LIGHTFOOT E N Fenômenos de transporte 2 ed Rio de Janeiro LTC 2004 CREDER H Instalações de arcondicionado Rio de Janeiro LTC 2004 INCROPERA F P et al Fundamentos da transferência de calor e massa 6 ed Rio de Janeiro LTC 2008 MORAN M J SHAPIRO H N Princípios da termodinâmica para engenharia 6 ed Rio de Janeiro 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