Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação

Refrigeração Ar Condicionado e Ventilação Mario Eusebio Torres Alvarez 2019 por Editora e Distribuidora Educacional SA Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Editora e Distribuidora Educacional SA Presidente Rodrigo Galindo VicePresidente Acadêmico de Graduação e de Educação Básica Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Ana Lucia Jankovic Barduchi Danielly Nunes Andrade Noé Grasiele Aparecida Lourenço Isabel Cristina Chagas Barbin Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica José Renato Carpi Roberto Mac Intyer Simões Wilson Moisés Paim Editorial Elmir Carvalho da Silva Coordenador Renata Jéssica Galdino Coordenadora 2019 Editora e Distribuidora Educacional SA Avenida Paris 675 Parque Residencial João Piza CEP 86041100 Londrina PR email editoraeducacionalkrotoncombr Homepage httpwwwkrotoncombr Dados Internacionais de Catalogação na Publicação CIP Alvarez Mario Eusebio Torres A473r Refrigeração ar condicionado e ventilação Mario Eusebio Torres Alvarez Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2019 232 p ISBN 9788552214380 1 Sistemas de refrigeração 2 Sistemas de ar condicionado 3 Ventilação I Alvarez Mario Eusebio Torres II Título CDD 697 Thamiris Mantovani CRB89491 Sumário Unidade 1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar 7 Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 9 Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 25 Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 42 Unidade 2 Sistema de condicionamento de ar61 Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 63 Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 79 Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 100 Unidade 3 Sistemas de refrigeração equipamentos 119 Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 121 Seção 32 Condensadores e evaporadores 138 Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 156 Unidade 4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 175 Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 177 Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos194 Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 211 Palavras do autor P rezado aluno hoje em dia nos deparamos bastante com o assunto desenvolvido neste material sobre refrigeração ar condicionado e ventilação Antigamente não existia geladeira e num passado não tão distante assim ter um carro sem um sistema de ar condicionado era normal assim como quase nenhuma casa tinha condicionador de ar usávamos apenas um ventilador nos dias mais quentes Isso no Brasil que tem um clima predominantemente quente Se considerarmos um país frio precisaríamos aquecer o ambiente interno das residências a fim de melhorar o conforto térmico Para isso temos as bombas de calor que fazem esse trabalho Após uma boa leitura deste material você vai conhecer melhor os sistemas de refrigeração seus ciclos envolvidos e como funciona o sistema de condicionador de ar e a ventilação A refrigeração foi um passo impor tante na vida do ser humano fornecendo temperaturas baixas usadas para diferentes finalidades com aplicações na indústria de alimentos em frigo ríficos na indústria de bebidas nas indústrias química e farmacêutica e na climatização de ambientes A primeira unidade tratará da termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar para que você conheça e compreenda os conceitos termodinâmicos aplicados aos sistemas de refrigeração de bombas de calor e de condicionamento de ar Serão apresentadas as equações envolvidas nesses sistemas e algumas misturas de gases ideais com análise de sistemas abordando também a psicrometria Além disso abordaremos temas como condicionamento de ar e torres de resfriamento conforto térmico qualidade do ar e cargas térmicas A segunda unidade abordará os sistemas de condicionamento de ar para um melhor conhecimento e uma melhor compreensão deles e de seus equipa mentos Estudaremos os sistemas de zona simples e de zonas múltiplas com volume de ar variável e de água Além disso assuntos como circulação de ar dimensionamento de dutos ventiladores centrífugos e distribuição do ar também serão tratados Falaremos sobre tubulações aquecedores e bombas Finalizando a unidade serão apresentados alguns tipos de resfriadores e desumidificadores de ar e faremos um projeto de um sistema de controle para condicionadores de ar Na terceira unidade iremos conhecer e compreender os sistemas de refri geração e seus equipamentos começando o estudo com diferentes tipos de compressores condensadores evaporadores e válvulas de expansão Será estudado também o comportamento do condensador e do evaporador finalizando a unidade com a simulação do comportamento do sistema completo Finalmente a quarta unidade tratará dos sistemas de refrigeração e bombas de calor Estudaremos os sistemas multipressão o separador de líquido os sistemas e unidades de refrigeração por absorção os tipos de bombas de calor e seu dimensionamento as torres de resfriamento e por fim a proteção contra incêndios em câmaras refrigeradas a detecção de vazamentos e a descarga de amônia Agora que você já conhece todos os assuntos que serão abordados está na hora de você embarcar nesta viagem rumo à expansão dos seus conheci mentos e saiba que conhecimento é algo que ninguém pode tirar de você Desejo que você tenha uma ótima leitura Unidade 1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Convite ao estudo Como você sabe no dia a dia em casa usamos um refrigerador para conservar os alimentos ou no lugar onde estudamos ou trabalhamos temos um condicionador de ar para amenizar o desconforto térmico de dias muito quentes A refrigeração é também utilizada em indústrias alimentícias para a conservação de grandes quantidades de alimentos assim como na indús tria petroquímica para realizar o resfriamento requerido pelos processos químicos Esses sistemas de refrigeração devem ser cuidadosamente proje tados para atender às demandas levando em conta o uso de refrigerantes menos agressivos ao meio ambiente Você sabe que um modelamento do ponto de vista termodinâmico pode levar à solução de um projeto de refri geração assim este material ajudará você a entender e compreender os conceitos termodinâmicos aplicados a sistemas de refrigeração sistemas de bombas de calor sistemas de condicionamento de ar e seus equipamentos para assim saber analisar sistemas que envolvam misturas bem como estimar as cargas térmicas e condições de projeto resolvendo problemas que podem ser encontrados na vida profissional A fim de colocar esses conceitos em prática com o seu conhecimento e compreensão dos processos realizados em um ciclo de refrigeração imagine que você foi contratado como engenheiro para trabalhar numa indústria de laticínios na qual são fabricados iogurtes e bebidas lácteas Na indústria o leite é recebido dos produtores e armazenado sob refrigeração Posteriormente o leite é enviado na linha de produção para a fabricação de iogurtes e bebidas lácteas Após a fabricação o produto final é estocado em câmaras de refrige ração para sua conservação As vendas e demandas dos produtos fabricados têm aumentado com isso a indústria de laticínios precisa expandir a sua capacidade de produção Há três situações que precisam ser abordadas para solucionar os problemas de expansão da fábrica Primeiramente imagine que a equipe de engenheiros da qual você faz parte está estudando a possibilidade de implementar outra câmara de refri geração para a conservação de produtos lácteos a fim de evitar alterações das suas propriedades físicas e da qualidade do produto devido aos efeitos da temperatura ambiente e da umidade do ar que muitas vezes acabam levando à perda total do produto Para isso é necessário escolher e projetar um sistema de refrigeração determinar a potência do compressor e o coefi ciente de desempenho do refrigerador que deverá atender à demanda além de cuidar do meio ambiente com o uso de refrigerantes menos agressivos Um segundo problema que você e sua equipe de engenheiros deverão abordar é a expansão das instalações de trabalho as quais devem manter um conforto térmico adequado Essa equipe propôs instalar um sistema de resfriamento com desumidificação do ar que atenda ao clima de verão para diminuir a tempera tura ambiente e um sistema de aquecimento com umidificação que atenda ao clima de inverno Portanto é necessário projetar um sistema de resfriamento e aquecimento e avaliar o consumo de energia de ambos os sistemas Finalmente o terceiro ponto a ser avaliado é o conforto térmico e a quali dade do ar das novas instalações de trabalho Além disso é necessário deter minar qual será a carga térmica total de resfriamento para o verão e qual a carga térmica de aquecimento para o inverno Você pensa que seria possível com base nos conceitos teóricos aplicar o seu conhecimento para outros tipos de indústrias Nesta unidade você aprenderá sobre os ciclos de refrigeração e refrigerantes utilizados também fará uso da psicrometria e de suas aplicações no condicionamento de ar verá os processos que existem para o condicionamento de ar e finalmente verá as estimativas das cargas térmicas e a determinação de cargas térmicas de aquecimento e resfriamento Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 9 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Diálogo aberto Frequentemente você usa em casa um sistema de refrigeração para a conservação dos alimentos A refrigeração é utilizada na usinagem e confor mação de ligas de metais na fabricação de produtos metálicos e plásticos no resfriamento do fluido de corte em máquinas de usinagem em secadores de ar comprimido utilizados para acionamento de certas máquinas e na refinaria de petróleo para a condensação e separação de hidrocarbonetos ou no resfriamento de certas reações químicas exotérmicas De acordo com a aplicação existem alguns sistemas de refrigeração específicos tais como a refrigeração por compressão de vapor refrigeração por absorção ou refri geração a gás Além disso um sistema com função contrária são as bombas de calor que ao invés de resfriar fornecem calor para um ambiente a ser aquecido O funcionamento desse sistema é realizado por ciclos por meio de dispositivos internos que realizam processos sobre o refrigerante utili zado Ainda com as novas regulamentações internacionais os refrigerantes utilizados em sistemas de refrigeração devem cumprir requisitos para não agredir o meio ambiente e sobretudo a camada de ozônio do nosso planeta Para que possamos colocar esses assuntos em prática conhecendo e entendendo como são realizados os cálculos de um sistema de refrige ração imagine que você está trabalhando numa indústria de laticínios que utiliza sistemas de refrigeração para a conservação dos produtos lácteos A fábrica está na fase de ampliações das suas instalações de produção devido ao aumento na demanda de laticínios Um dos pontos a ser resolvido é a implementação de outro sistema de refrigeração da planta e a equipe de engenheiros da qual você faz parte sugere implementar um sistema de refri geração por compressão de vapor que deverá ter uma capacidade de refri geração de aproximadamente 10 toneladas conforme mostra a Figura 11 Seção 11 Figura 11 Ciclo de refrigeração por compressão de vapor a ser instalado Fonte elaborada pelo autor 10 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Seu líder pede para você realizar o projeto do novo sistema de refrige ração e para isso você precisará determinar qual será a potência necessária do compressor e qual o coeficiente de desempenho do sistema de refrigeração Além disso você precisa determinar o refrigerante a ser utilizado e a vazão mássica do refrigerante Uma variação na vazão mássica pode influenciar o desempenho do equipamento portanto será necessário avaliar a variação da vazão mássica do refrigerante no sistema Os produtos lácteos deverão estar sob refrigeração a 5 C Então devido à troca de calor entre o refri gerante e os produtos lácteos no evaporador o refrigerante deverá sair do evaporador numa temperatura menor para garantir a temperatura de refri geração Considere que o refrigerante sai do evaporador a 12 C na forma de vapor saturado e é comprimido no compressor a 12 bar aumentando a temperatura o qual é resfriado no condensador saindo o refrigerante como líquido saturado a 12 bar Além disso 80 de eficiência do compressor deve ser considerado Você pode relacionar um ciclo refrigeração isentrópico com eficiência do compressor Utilize os conceitos e equacionamento de um ciclo de refrigeração por compressão de vapor e refrigerantes utilizados Não pode faltar Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor No nosso cotidiano já vimos diversos sistemas de refrigeração desde o utilizado em casa para conservação dos alimentos até os utilizados em indús trias de alimentos e frigoríficos para o congelamento O sistema de refrige ração à compressão de vapor se origina a partir do ciclo de refrigeração de Carnot A Figura 12 mostra o ciclo de refrigeração de Carnot Figura 12 Ciclo de refrigeração de Carnot Fonte elaborada pelo autor Esse ciclo está composto por dois processos isotérmicos e dois processos adiabáticos No processo 12 o refrigerante é comprimido adiabaticamente aumentando a temperatura e a pressão No processo 23 o refrigerante é resfriado isotermicamente por um condensador à pressão constante No Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 11 estado 34 há uma expansão do refrigerante em que a temperatura e pressão diminuem e finalmente no estado 41 o refrigerante é parcialmente evapo rado à temperatura e pressão constante Vale ressaltar que o ciclo de Carnot é um ciclo reversível portanto os quatro processos do ciclo de Carnot podem ser revertidos Os sistemas de refrigeração de Carnot não consideram os desvios dos ciclos de refrigeração real decorrentes de efeitos como a transferência de calor entre o refrigerante e a vizinhança e o atrito do fluido que causa quedas de pressão Além disso num sistema real as transferências de calor são irreversíveis Se ao ciclo de Carnot reverso forem feitas algumas alterações inserindo um evaporador e uma válvula de expansão ou um tubo capilar esse ciclo se tornaria um ciclo de refrigeração por compressão de vapor tornandoo assim o ciclo de refrigeração mais utilizado hoje em dia Na Figura 13 é mostrado um ciclo de refrigeração por compressão de vapor e os 4 processos Figura 13 Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor a ciclo de operação e funcio namento b Diagrama Ts do ciclo ideal de refrigeração Fonte elaborada pelo autor Na Figura 13 a você pode observar os quatro processos compressão condensação expansão e evaporação Se não fosse considerada a transfe rência de calor devido à compressão do refrigerante o processo 12 seria modelado por uma compressão isentrópica Em um diagrama Ts Figura 13 b esse processo estaria representado pela etapa 12s que é realizada à entropia constante Por outro lado se no condensador e no evaporador não fossem assumidas as irreversibilidades não existiria queda de pressão devido ao atrito então o escoamento do refrigerante ficaria à pressão constante Os processos do ciclo ideal de refrigeração segundo a Figura 13 a são 12 Compressão isentrópica do refrigerante do estado 1 vapor saturado ao estado 2s 12 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar 23 Rejeição de calor à pressão constante do refrigerante até o estado 3 líquido saturado na temperatura C T temperatura do condensador 34 Estrangulamento ou expansão do refrigerante até o estado 4 líqui dovapor saturado através de uma válvula de expansão ou tubo capilar 41 Transferência de calor à pressão e temperatura constante para o refrigerante no evaporador até o estado 1 completando o ciclo na tempera tura E T temperatura do evaporador Todos os processos são reversíveis com exceção da expansão motivo pelo qual são chamados de ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor Um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor como mostra a Figura 13 b pode ser modelado termodinamicamente Assumindo que o processo é realizado em regime permanente e que o evaporador está no compartimento da câmara de refrigeração em que acontece a transferência de calor a taxa de calor transferido ou capacidade frigorífica E Q é dada por 1 4 QE m h h A capacidade frigorífica pode ser expressa em tonelada de refrigeração TR que é a capacidade de um sistema de refrigeração congelar uma tonelada 2000 lbm de água líquida em 24 horas 1 TR equivale a 200 Btumin ou 211 kJmin Você deve lembrar que h é a entalpia específica do refrigerante ex kJkg e m a vazão mássica do refrigerante ex kgs Agora o refrigerante sai do evaporador e é comprimido no compressor Considerando a ausência de transferência de calor no compressor a taxa de potência ou simplesmente potência do compressor C W é 2 1 C C E s W m h h Q Q O gás comprimido passa no condensador no qual é resfriado e o calor é transferido à vizinhança A taxa de transferência de calor no condensador C Q é 2 3 C s Q m h h Em seguida o refrigerante sai do condensador como líquido saturado estado 3 e passa pela válvula de expansão que tem a função de estrangula mento reduzindo a pressão e a temperatura do refrigerante Nesse processo de estrangulamento a entalpia antes e depois de passar pela válvula de expansão são iguais ou seja 4 3 h h O coeficiente de desempenho de refrigeração por compressão de vapor b é a razão da quantidade de energia na forma de calor retirado no evapo rador E Q pela quantidade de energia consumida pelo compressor C W expressa por b E E C C E Q Q W Q Q Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 13 Até este ponto vimos como funciona um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor No entanto um ciclo real considera que não existe reversibilidade na transferência de calor entre o refrigerante e o evaporador e entre o refrigerante e o condensador Além disso a temperatura do refri gerante no evaporador é menor que a temperatura do espaço frio E T e a temperatura do refrigerante no condensador é maior que a temperatura do espaço quente C T como mostra a Figura 14 Esses efeitos acabam levando a uma diminuição do coeficiente de desempenho com relação ao calculado pelo ciclo ideal Figura 14 Diagrama Ts para o ciclo real de refrigeração por compressão de vapor Fonte elaborada pelo autor Um aspecto importante para ser avaliado no ciclo real de refrigeração por compressão de vapor é a irreversibilidade durante a compressão do refri gerante mostrada no processo da linha 12 acompanhando o aumento da entropia já a linha do 12s mostra um processo reversível que é o caso do ciclo ideal Comparando os ciclos real e ideal a capacidade de refrigeração deverá ser a mesma No entanto a potência do ciclo real deverá ser maior que a do ciclo ideal assim o coeficiente de desempenho do ciclo real será menor que o do ciclo ideal Esse efeito de compressão irreversível pode ser melhor compreendido usando o conceito da eficiência isentrópica hC que é dada por h 2 1 2 1 C isentropico s c C W h h h h W Essa equação mostra a relação entre a potência do compressor para o ciclo ideal comparada à do ciclo real Assimile Para o ciclo real de refrigeração não existe efeito de reversibilidades na transferência de calor no evaporador condensador e compressor Portanto 14 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar a potência no compressor do refrigerador deverá ser maior e o coeficiente de desempenho menor comparado ao ciclo ideal de refrigeração Refrigerantes Existem algumas propriedades para um refrigerante ser considerado bom para uso comercial entre elas não ser tóxico ter um baixo ponto de ebulição ter um calor latente alto ser fácil de se liquefazer em temperatura e pressão moderadas não ser corrosivo para metais não ser afetado pela umidade e se misturar bem com óleo Os refrigerantes são classificados entre as classes 1 2 e 3 a depender de extraírem ou absorverem calor das substâncias que irão resfriar Os refrige rantes da Classe 1 tais como o dióxido de enxofre cloreto de metila cloreto de etila amônia dióxido de carbono Freon 11 Freon 12 Freon 21 e Freon 22 resfriam pela extração ou absorção do calor das substâncias que serão resfriadas por meio dos seus calores latentes Os da Classe 2 tais como o ar salmoura de cloreto de sódio ou cálcio e álcool resfriam as substâncias pela absorção de seus calores sensíveis Os da Classe 3 são compostos de soluções que carregam vapores liqueficáveis que produzem pela absorção dos calores latentes um efeito refrigerante por exemplo a solução composta por amônia pura e água destilada conhecida também por água amoniacal A depender do uso destinado doméstico comercial ou industrial sempre haverá uma análise a ser feita para decidir qual refrigerante utilizar De acordo com o Protocolo de Montreal 1987 foi exigida a eliminação dos clorofluorcarbonos CFCs pois destroem a camada de ozônio Os hidroclorofluorcarbonos HCFCs como o R134a são usados em refrige ração e ar condicionado de automóveis e são a melhor opção porque agridem menos a camada de ozônio Um exemplo de HCFCs é o R22 bastante usado em bombas de calor e sistemas de condicionamento de ar instalados em residências porém devido a seu alto conteúdo de cloro e agressão à camada de ozônio deverá ser substituído por outros refrigerantes Os refrigerantes naturais seriam a melhor opção e já estão sendo usados entre eles temos a amônia R717 dióxido de carbono R744 e alguns hidrocarbonetos como o propano R290 o metano R50 e o butano R600 Refrigeração por Absorção A refrigeração por absorção se torna interessante economicamente quando existem fontes de energia térmica entre 100 e 200 C tais como a energia geotérmica a energia gerada pelas usinas de cogeração energias geradas para a produção de vapor para processos ou até Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 15 mesmo a energia solar Esse ciclo é similar ao de compressão de vapor porém diferenciase em 2 pontos primeiramente em vez de usar o compressor no ciclo de refrigeração é utilizado um líquido absorvente para absorver o gás refrigerante procedente do evaporador formando uma solução líquida em segundo lugar após o refrigerante ser absor vido pelo líquido absorvente ele precisa ser separado do líquido antes do refrigerante entrar no condensador e para isso tornase necessária a instalação de uma fonte térmica que esteja a uma temperatura alta Na refrigeração por absorção podem ser utilizadas fontes térmicas mais baratas como a energia solar o vapor que é muitas vezes descartado em indústrias e até mesmo a queima de um gás natural A Figura 15 mostra o ciclo de refrigeração por absorção Figura 15 Ciclo de refrigeração por absorção utilizando amônia Fonte elaborada pelo autor Na Figura 15 o refrigerante amônia que sai do evaporador entra no absorvedor para ser dissolvido em água líquida no qual acontece uma reação exotérmica ou seja que aumenta a temperatura e libera calor O aumento da maior quantidade possível de amônia em água é favorecido a tempera turas baixas portanto é necessário resfriar o absorvedor mantendo a água em recirculação para que permaneça a uma temperatura baixa Em seguida a solução rica em amônia é bombeada ao gerador onde é fornecido calor a partir de uma fonte de energia térmica para liberar amônia O vapor de amônia passa para o retificador onde é separado da água que volta para o gerador enquanto o vapor de amônia segue para o condensador continu ando o ciclo do processo de refrigeração Os sistemas de refrigeração por absorção são mais caros que os sistemas de refrigeração por compressão de vapor exigem espaço maior pois requerem torres de resfriamento maiores e são menos eficientes No entanto seu uso pode ser indicado quando a energia térmica utilizada for mais barata que a 16 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar energia elétrica Um outro sistema de refrigeração que podemos mencionar é a refrigeração por adsorção Ela é similar à refrigeração por absorção porém ao invés de usar um líquido é usado um sólido como adsorvente Esse sistema está baseado na adsorção do gás refrigerante que sai do evaporador por um sólido adsorvente e após o aumento da temperatura e pressão o refrigerante alcança o ponto crítico de condensação voltando ao seu estado líquido no condensador Logo o refrigerante passa na válvula de expansão diminuindo a temperatura e pressão seguindo para o evaporador fechando o ciclo Esse sistema de refrigeração é pouco utilizado e poucas aplicações são encontradas Sistemas de Bombas de Calor O sistema de bombas de calor tem a finalidade de fornecer calor para aquecimento ao invés de extrair calor de um meio como o sistema de refrigeração As bombas de calor podem funcionar por compressão de vapor usando um refrigerante como fluido de trabalho ou por absorção e são aplicadas para aquecimento de ambientes ou fins industriais Você deve lembrar da operação de uma bomba de calor de Carnot a qual precisa de uma fonte fria para extrair calor que será transferido para o espaço a ser aquecido As bombas de calor de Carnot não levam em conta os efeitos de transferência de calor no condensador e evaporador nem as quedas internas de pressão como nos ciclos de refrigeração por compressão de vapor Portanto numa bomba de calor real esses efeitos devem ser considerados A Figura 16 ilustra a operação de uma bomba de calor por compressão de calor Figura 16 Bomba de calor por compressão de vapor Fonte elaborada pelo autor No tipo de bomba de calor por compressão de vapor que é o mais comum para aquecimento o evaporador está em contato termicamente com o ar atmosférico Essas bombas de calor que usam o ar como fonte também são usadas para resfriamento no verão basta colocar uma válvula de reversão De acordo com a Figura 16 o coeficiente de desempenho para uma bomba de Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 17 calor por compressão de vapor g será g 2 3 2 1 C C h h Q h h W Observe que se o espaço frio tiver uma temperatura muito fria não haverá uma troca de calor efetiva no evaporador e portanto o coeficiente de desempenho da bomba de calor será baixo Assim será necessário que o ambiente frio tenha uma temperatura constante tal como o ar Os cálculos de potência e de calor retirado do evaporador seguem o mesmo procedimento que para o ciclo de refrigeração por compressão de vapor Exemplificando Considere uma bomba de calor que fornece calor a uma casa para manter a temperatura a 25C Refrigerante 134a no estado de vapor saturado entra no compressor a 4C e sai a 50C e 10 bar No condensador o refrigerante entra a 10 bar saindo como líquido saturado Qual será a potência do compressor e o coeficiente de desempenho se a vazão do refrigerante é de 015 kgs Solução Veja a Figura 16 as propriedades termodinâmicas para os estados são dadas na Tabela 11 Tabela 11 Propriedades do refrigerante 134a Estado T C p bar h kJkg 1 4 25274 24490 2 50 10 28019 3 3939 10 10529 4 texto 25274 10529 Fonte Moran et al 2018 p725729 A potência do compressor está dada por 2 1 015 28019 24490 529 c kg kJ W m h h kW s kg O coeficiente de desempenho será g 2 3 2 1 28019 10529 495 50 28019 24490 C C kJ kg h h Q h h kJ kg W Portanto a potência requerida pelo compressor será de 529 kW e o coeficiente de desempenho da bomba será de 5 Sistemas de refrigeração a gás Este sistema de refrigeração tem várias aplicações pois atinge tempera turas baixas Uma aplicação é na liquefação de ar e outras aplicações para o 18 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar resfriamento de gases O ciclo de refrigeração de Brayton é um sistema de refrigeração a gás representado na Figura 17 a O ar pode ser considerado o refrigerante Temos que o ar é comprimido no compressor que eleva a sua temperatura e a sua pressão Usando um trocador de calor é retirado calor até uma temperatura próxima do espaço quente Em seguida o gás é expan dido por meio de uma turbina atingindo uma temperatura bem inferior à do espaço frio e completando o ciclo A Figura 17 b mostra o diagrama Ts internamente reversível ciclo 12s34s com a turbina e o compressor funcionando adiabaticamente e o ciclo considerando os efeitos de irreversi bilidades na turbina e compressão adiabática Figura 17 a Ciclo de refrigeração Brayton b Diagrama Ts Fonte elaborada pelo autor Assumindo que o ar refrigerante se comporta como um gás ideal a razão de pressão no compressor r é 2 2 1 1 r r P P r P P em que 1r P e 2r P são a pressão reduzida nos estados 1 e 2 respectivamente e estão reportadas em tabelas termodinâmicas A pressão reduzida de um gás é razão da pressão do gás pela pressão crítica A potência líquida de acionamento para o ciclo real ciclo W é dada pela diferença entre a potência do compressor c W e a potência da turbina t W por é ù ê ú ë û 2 1 3 4 ciclo c t W W W m h h h h Finalmente o coeficiente de desempenho b está dado pela razão entre a carga de refrigeração ent Q e a potência líquida de acionamento ciclo W dada pela equação b 1 4 2 1 3 4 ent c t h h Q h h h h W W Reflita No ciclo ideal de refrigeração por compressão a vapor após o refrige rante ser resfriado no condensador ingressa no dispositivo de expansão Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 19 a fim de diminuir a sua temperatura Se esse dispositivo for substituído por uma turbina poderia obter temperaturas baixas Os sistemas de refrigeração e bombas de calor são muito empregados nas diversas áreas das engenharias Assim os pontos abordados e as equações desenvolvidas nesta seção ajudarão você a ter uma visão maior para a solução de problemas Sem medo de errar Vamos lembrar que você está trabalhando numa indústria de laticínios que está aumentando sua capaci dade de produção e será necessário implementar um sistema de refrigeração A equipe de engenheiros da qual você faz parte sugere um sistema de refrigeração por compressão de vapor e o seu líder pede para você elaborar o projeto determi nando qual será a potência do compressor e o coeficiente de Figura 18 Ciclo ideal de refrigeração por com pressão de vapor Fonte elaborada pelo autor desempenho do sistema de refrigeração sabendo que a capacidade de refrigeração do novo sistema de refrigeração será de 10 toneladas Você precisa determinar o refrigerante a ser utilizado e avaliar a influência da variação da vazão mássica no sistema de refrigeração Sabese que os produtos lácteos deverão estar sob refrigeração a 5 C portanto sugerese que o refrigerante saia do evaporador a 12 C e seja comprimido até 12 bar além disso você sabe que o refrigerante na saída do condensador deve estar como líquido saturado e a eficiência do compressor deve ser de 80 Para começar vamos lembrar o ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor ilustrado num diagrama Ts mostrado na Figura 18 que mostra as etapas do ciclo de refrigeração Saiba mais Mais informações sobre sistemas de refrigeração podem ser encon tradas nas páginas 478 a 489 do Capítulo 11 do livro a seguir ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH Editora Ltda 2013 20 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Quanto à seleção do refrigerante você deverá ter cuidado com a sua escolha pois é preciso se conscientizar de que é preciso cuidar do nosso planeta para evitar impactos ambientais Temos que o refrigerante R12 e toda a linha de freons estão sendo substituídos por outros refrigerantes que não agridam a camada de ozônio porém que tenham as mesmas caracte rísticas de refrigeração Um refrigerante alternativo que tem mostrado bom desempenho e vem sendo utilizado em sistemas de refrigeração é o R134a Portanto o refrigerante que você poderá escolher é esse As entalpias especí ficas para R134a estão reportadas nas Tabelas 12 e 13 Tabela 13 Propriedades do refrigerante R134a vapor superaquecido Fonte adaptada de Moran et al 2018 Tabela 12 Propriedades do refrigerante R134a líquidovapor saturado Fonte adaptada de Moran et al 2018 T C P bar hlíquido kJkg hvapor kJkg svapor kJkg K 12 1854 24015 09267 44 11299 11222 48 12526 11835 P 120 bar T C h kJkg s kJkg K 500 27552 09164 600 28744 09527 Segundo a Figura 18 o processo 41 é o processo de evaporação pelo qual será retirado calor dos produtos lácteos Como você sabe a capacidade de refrigeração será de 10 toneladas então o calor retirado no evaporador expressado em kW é æ öæ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø ç çè ø 211 1min min 10 3517 3517 1 60 E kJ kJ Q ton kW ton s s Além disso você sabe que a entalpia específica é 4 3 h h e que 3h corresponde a líquido saturado na pressão de 12 bar a mesma pressão na saída do compressor Na Tabela 12 a entalpia 3h é calculada por inter polação para a pressão de 12 bar sendo que 3 11572 h kJkg correspon dendo a uma temperatura de saída do condensador igual a 463 C O valor de 3h também pode ser extraído diretamente na pressão de 12 bar nas tabelas de líquidovapor saturado para o refrigerante R134a do livro de Moran et al 2018 p767 Se 4 3 h h a vazão mássica do refrigerante será Þ 1 4 1 4 3517 02826 24015 11572 E E kJ Q kg s Q m h h m kJ h h s kg Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 21 Avaliando a vazão mássica veja que o valor calculado corresponde a uma capacidade de refrigeração de 10 toneladas Se a vazão mássica for menor o sistema de refrigeração não atingirá a capacidade de refri geração e se for maior haverá um sobredimensionamento do sistema de refrigeração Considerando o compressor adiabático e isentrópico 2s h é determi nado assumindo que 2 1 s s Interpolando a partir dos dados da Tabela 13 para 1 09267 s encontrase o valor de 2 27290 h s kJkg Sabemos que o refrigerante na entrada do compressor está como vapor saturado a 12 C Da Tabela 12 temos que 1 24015 h kJkg Finalmente a potência do compressor e o coeficiente de desempenho do ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor serão 2 1 02826 27290 24015 926 C s kg W m h h kW s b 3517 38 925 E C Q W Se a eficiência do compressor não deve passar de 80 a potência real do compressor será h h Þ 2 1 2 1 926 1158 08 C C isentropico isentropico s C c c C W W kW h h W kW h h W Veja que os resultados para o sistema de refrigeração por compressão de vapor a ser instalado para a refrigeração de 10 toneladas de produtos lácteos indicam que será necessário um sistema de refrigeração com 1158 kW de potência no compressor fornecendo um coeficiente de desempenho de 38 Aquecimento de um ambiente por meio de uma Bomba de Calor Descrição da situaçãoproblema Você engenheiro está trabalhando numa empresa que fabrica bombas de calor e seu líder tem um projeto para aquecimento de uma sala de trabalho de uma indústria por meio de uma bomba de calor representada na Figura 19 Avançando na prática 22 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Figura 19 Aquecimento de um ambiente por uma Bomba de Calor Fonte elaborada pelo autor Seu líder precisa saber qual será o calor fornecido e o coeficiente de desempenho de uma bomba de calor que tem um compressor de 7 kW Você foi escolhido para resolver o problema e as informações que você tem da bomba de calor são refrigerante R134a a entalpia específica na saída do compressor a 50 C e 10 bar é de 2 28019 h kJkg A entalpia específica na saída do condensador a 10 bar 3 10528 h kJkg e a vazão mássica do refri gerante é de 009 kgs Resolução da situaçãoproblema Você lembra que o ciclo de um sistema de bomba de calor por compressão de vapor é similar ao ciclo de refrigeração por compressão de vapor Você também sabe que o refrigerante na saída do compressor está a 50 C e 10 bar e sua entalpia específica é de 2 28019 h kJkg Na saída do condensador você sabe que a entalpia específica é de 3 10528 h kJg Portanto a taxa de calor fornecida ao ambiente a ser aquecido é 2 3 009 28019 10528 1574 C kg kJ Q m h h kW s kg O coeficiente de desempenho da bomba de calor será b 1574 225 7 C C Q W Assim os resultados mostram que para 225 kW de calor fornecido pela bomba de calor 1 kW de energia é necessário Faça valer a pena 1 O sistema de bombas de calor e o ciclo de refrigeração são iguais porém possuem objetivos diferentes pois o sistema de bombas de calor fornece calor ao ambiente e a refrigeração resfria o ambiente Dentre os ciclos de refrige Seção 11 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 23 ração temos o ciclo de refrigeração por compressão de vapor por absorção por adsorção e ciclo Brayton Considerando os sistemas de refrigeração estudados qual é o único ciclo em que um sólido é utilizado como parte do processo Assinale a alternativa correta a Ciclo de refrigeração Brayton b Ciclo de refrigeração por compressão de vapor c Ciclo de refrigeração por absorção d Ciclo de refrigeração por adsorção e Ciclo de bomba de calor por compressão de vapor 2 As bombas de calor são equipamentos que fornecem calor a um ambiente que precisa ser aquecido e são utilizadas geralmente para aquecimento de casas e ambientes de grande dimensão Existem as bombas de calor geotérmicas que trocam calor entre o solo e o ambiente a ser aquecido e são mais eficientes que as bombas de calor que trocam calor entre o ar e o ambiente a ser aquecido porém os custos de instalação podem ser mais elevados Uma casa é aquecida a 22 C com uma bomba de calor por compressão de vapor O refrigerante R134a entra no compressor a uma temperatura de 8 C e é comprimido até 12 bar de pressão Determine qual é o trabalho por unidade de massa realizado pelo compressor a 250 kJkg b 192 kJkg c 241 kJkg d 202 kJkg e 233 kJkg 3 O ciclo Brayton foi inicialmente desenvolvido para ser usado em motores alter nativos Hoje em dia é utilizado em turbinas a gás que acopladas a um compressor e a trocadores de calor resultam em um motor a gás Esse ciclo quando invertido resulta em um ciclo de refrigeração Brayton que tem várias aplicações tais como o sistema de arrefecimento e de condicionamento de ar em aviões a jato Uma das maiores aplicações é na indústria do gás natural em que o ciclo Brayton é utilizado para o resfriamento do gás natural liquefeito GNL Considere ar ingressando num compressor de um ciclo de refrigeração Brayton ideal a uma pressão de 102 kPa e 300 K 269 C A razão de pressão do compressor é 275 24 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar A temperatura que sai do trocador de calor e entra na turbina é de 325 K 519 C Qual será o trabalho de acionamento por unidade de massa kJkg e o coeficiente de desempenho do sistema de refrigeração a 129 Wciclo m b 35 b 115 Wciclo m b 49 c 129 Wciclo m b 49 d 122 Wciclo m b 39 e 105 Wciclo m b 52 Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 25 Mistura de gases ideais e psicrometria Diálogo aberto Em muitas regiões do Brasil em épocas de inverno quando a temperatura diminui a umidade relativa do ar também diminui causando muitas vezes situações de alerta para diferentes cidades como na região Sudeste do Brasil Por outro lado existem lugares que apresentam elevadas umidades relativas em épocas de inverno ou verão o que acaba prejudicando o conforto das pessoas e do ambiente de trabalho Para contornar esses problemas existem processos de umidificação ou desumidificação do ar usados para aumentar ou diminuir a umidade relativa do ar em diferentes ambientes como casas ou centros de trabalho Isso pode ser tratado a partir dos processos de condi cionamento do ar e o uso da psicrometria que é uma ferramenta importante que trata das propriedades do ar úmido Note que o ar é uma mistura de vários componentes e suas propriedades e sua composição devem ser deter minadas a partir dos componentes presentes na mistura Vamos retomar o contexto apresentado anteriormente em que você está trabalhando como engenheiro numa indústria de laticínios na qual são fabri cados iogurtes e bebidas lácteas Devido ao aumento nas vendas a indústria tem aumentado a sua produção e com isso a expansão dos ambientes de trabalho e das linhas de produção se tornaram necessárias Para não sofrer alterações no conforto térmico dos novos ambientes de trabalho uma equipe de engenheiros está propondo instalar um sistema de resfriamento e desumi dificação do ar que atenda às necessidades impostas nas estações de verão para diminuição da temperatura ambiente Lembrese de que nas estações de verão a umidade relativa do ar é geralmente alta Por outro lado nas estações de inverno a equipe de engenheiros deseja instalar um sistema de aquecimento com umidificação porque nesta estação o ar apresenta umidades relativas do ar baixas e para manter o conforto térmico é necessário aumentar a umidade do ar Para ilustrar melhor a Figura 110 mostra o sistema de resfriamento e desumidificação e o sistema de aquecimento e umidificação Seção 12 Figura 110 Ilustração a Resfriamento e desumidificação b Aquecimento e umidificação Fonte elaborada pelo autor 26 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Numa reunião da equipe de engenheiros o seu líder pede para você assumir esta tarefa e determinar qual será o gasto energético e o consumo de energia para o resfriamento e a desumidificação do ar e para o aquecimento e a umidificação Vamos pensar que na estação de verão a temperatura é de 35 ºC e umidade relativa de 70 Vamos também pensar que a vazão de ar necessária que deverá entrar nos ambientes de trabalho seja de 3 35 min m O ar na saída deverá ser saturado a 25 ºC A pressão da cidade é de 1 atm Na estação de inverno a temperatura é 15 ºC e a umidade de 20 Portanto é necessário manter a umidade relativa na saída dos ambientes de trabalho a 50 e a temperatura a 25 ºC Considere a vazão de ar na entrada a mesma que na estação de verão Será que a umidade específica do ar pode ser deter minada a partir de outras propriedades além da massa de cada componente A mistura de vapor de água e ar poderia ser considerada como gás ideal Como podemos determinar o consumo de energia para resfriamento ou aquecimento Para solucionar essa problematização você precisará dos conceitos apren didos sobre a análise de sistemas que envolvem misturas assim como o uso de cartas psicrométricas e também sobre condicionamento de ar Não pode faltar Misturas de gases ideais Para descobrimos as propriedades de uma mistura é necessário conhecer a composição e as propriedades dos componentes individuais A análise pode ser feita a partir de uma análise molar ou mássica sendo que a massa o número de mols e a massa molecular de um componente i são relacionados por i i i m n M Se consideramos uma mistura de dois ou mais componentes a compo sição da mistura é dada pela massa ou pelo número de mols de cada compo nente Sabemos que a massa total de uma mistura m em kg é a soma da massa de todos os componentes da mistura e de maneira análoga temos o número de mols total de uma mistura n Então podemos expressar como å å 1 2 1 2 1 1 e j j j i j i i i m m m m m n n n n n A massa de um componente dividido pela massa total é chamada de fração mássica i mf que é um adimensional Da mesma forma o número de mols de um componente dividido pelo número de mols total é chamado de fração molar y Elas estão definidas pela seguinte equação e i i i i m n mf y m n Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 27 Veja que a soma das frações mássicas de todos os componentes deve ser igual a 1 A fração mássica é chamada também de análise gravimétrica e a determinação das frações molares é chamada de análise molar ou de análise volumétrica sendo expressas como å å 1 1 1 e 1 j j i i i i mf y Para uma mistura com vários componentes a massa molecular aparente ou média M de uma mistura está definida pela razão entre a massa total m e o número de moles total n como å 1 1 2 2 1 1 2 2 1 j j j j j i i i n M n M n M m M y M y M y M y M n n Agora vamos pensar num gás ideal que pode ser definido como o gás cujas moléculas estão bem distanciadas a fim de não existir interação entre elas Por outro lado um gás real tem um comportamento muito aproximado a um gás ideal quando o gás está a baixas pressões ou a altas temperaturas isto em relação ao ponto crítico O comportamento de um gás ideal está baseado em duas leis a lei de Dalton que assume que a pressão p de uma mistura de gases ideais é igual à soma das pressões individuais que cada gás exerceria se estivesse sozinho a uma temperatura T e volume V da mistura e a lei de Amagat a qual assume que o volume de uma mistura de gases ideais é igual à soma dos volumes parciais de cada gás que estão em determinada tempera tura e pressão da mistura Assimile Os valores da fração mássica dos componentes de uma mistura são sempre diferentes dos valores da fração molar pois quando você tem fração molar a fração mássica é calculada usando a massa molecular dos componentes individuais Segundo a lei de Dalton a pressão total de uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais de cada gás ou componente dada por å 1 2 1 j i i i p p p p p A pressão parcial do componente i é dada pela equação dos gases ideais por i i n RT p V ou também pela lei de Amagat o volume de componente i é dado por i i V n RT p Se dividimos essas duas equações pela pressão e volume total respectiva mente temos que 28 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar i i i i p V n y p V n Em que in é o número de moles do componente i T é a temperatura K R é a constante dos gases e V é o volume total da mistura Portanto a pressão parcial do componente i é igual a i i p y p Também podemos dizer que segundo a lei de Amagat o volume parcial do componente i é igual a i i V y V e o volume total é dado por å 1 j i i V V Outras propriedades em base mássica para uma mistura de i componentes são 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 Entalpia da mistura Energia interna da mistura Calor específico da mistura i i i i p p p i pi H m h T m h T mh T kJ U m u T m u T mu T kJ C mf c T mf c T mf c T kJ kg K Em que 1 2 1 2 1 h h u u cp e pc 2 são a entalpia h em kJ kg energia interna u em kJ kg e capacidade calorífica pc em kJ kg K dos componentes 1 e 2 respectivamente Exemplificando Uma mistura gasosa é composta por dióxido de carbono 2 CO monóxido de carbono CO e oxigênio 2 O com frações mássicas de 030 020 e 05 respectivamente Qual é o calor específico da mistura a 350 K se o calor específico do 2 CO é de 0895kJ kg K do CO 1043kJ kg K e 2 O de 0928kJ kg K Solução o calor específico de cada componente é conhecido assim como suas frações mássicas Então o calor específico da mistura será 2 2 2 2 350 350 350 030 0895 02 1043 05 0928 09411 p CO pCO CO pCO O pO p C mf c mf c mf c kJ kg K C kJ kg K O calor específico da mistura é de 09411 kJ kg K Análise de sistemas que envolvem misturas Para a análise de sistemas que envolvem misturas não reagentes os princípios da conservação da massa e energia são utilizados Na Figura 111 temse o caso de misturas de gases ideais não reativos que passam por um processo A Figura 111 mostra um gás ideal não reativo passando por um processo do estado 1 ao estado 2 Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 29 Figura 111 Processo para uma mistura de gases ideais não reativos Fonte elaborada pelo autor 4 mols A 5 mols B X mols i T1 p1 4 mols A 5 mols B X mols i T2 p2 Reflita Aqui tratamos de misturas de gases ideais não reativos na qual os números de mols no início e fim permanecem iguais Se uma mistura for composta por gases reativos a uma determinada pressão e tempe ratura o número de mols e o valor da entalpia no estado final devem mudar A expressão da entalpia será a mesma No estado 2 podemos verificar que o número de mols de cada compo nente e a composição permanecem constantes Portanto para obter as propriedades da mistura de gás ideal não reativo basta somar as proprie dades de cada componente puro Assim a energia interna no estado 1 e 2 estão expressas por å å 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 j A A B B i i i i i j A A B B i i i i i U n u T n u T n u T n u T kJ U n u T n u T n u T n u T kJ Da mesma forma para a entalpia e entropia as expressões são å å å å 1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 j j i i i i i i j j i i i i i i i i H n h T H n h T kJ S n s T p S n s T p kJ K Em que e i i u h são a energia interna e entalpia em kJ mol e is a entropia em kJ mol K do componente i A variação da energia interna entalpia e entropia resulta da diferença entre os estados final e inicial Se dividimos pelo número total de mols n teremos a variação destas propriedades por mol de mistura Assim 30 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar D Þ D é ù é ù D Þ D ê ú ê ú ë û ë û D Þ D å å å å å 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 2 1 1 2 1 divindo por divindo por divindo por j j i i i i i i i i j j i i i i i i i i j i i i i i i i i U U U n u T u T n u y u T u T H H H n h T h T n h y h T h T S S S n s T p s T p n s y s T å 2 1 1 1 j i i i i p s T p Temos que iu e ih podem ser encontrados na Tabela A23 como função da temperatura MORAN et al 2018 p788791 para Ar CO2 CO Vapor de água O2 e N2 modelados como gases ideais Psicrometria psicrômetros e cartas psicrométricas A Psicrometria é o estudo de misturas que envolvem ar seco e vapor de água O ar úmido é constituído por uma mistura binária de ar seco e vapor de água podendo cada componente da mistura ser tratado como gás ideal Então a pressão parcial do ar ap e do vapor de água vp são iguais a a a p y p e v v p y p em que ay e vy são as frações molares do ar e do vapor de água respectivamente O ar saturado é uma mistura de ar seco e de vapor de água saturado a composição do ar úmido é expressa em termos da razão de mistura chamada também de umidade específica w definida como a razão da massa do vapor de água e a massa do ar seco w v a m m Em que v m é a massa molar do vapor da água a m a massa do ar seco A pressão da mistura é dada pela soma das pressões parciais do ar seco e do vapor de água a v p p p Então usando a equação dos gases ideais a razão da mistura será w 0622 v v v v v v a a a a a v M p V RT m M p p m M p V RT M p p p Temos que 0622 é o resultado da razão entre a massa molar da água v M 18015 gmol e do ar seco a M 28964 gmol Dica Para relembrar como se utilizam as tabelas termodinâmicas você pode encontrar um exercício prático usando dados de iu e is a partir da Tabela A23 no capítulo 12 páginas 602603 do livro MORAN M J et al Princípios de Termodinâmica para Engenharia 8 ed Rio de Janeiro LTC Editora 2018 Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 31 O ar úmido também pode ser expresso em função da umidade relativa f que é a razão das frações molares do vapor de água vy e a fração molar de uma amostra de ar úmido saturado yv sat à mesma pressão e temperatura da mistura Se v v v sat v sat p y p e p y p então a equação resulta em f f ou também v v v v sat v sat g y p p y p p Em que gp é a pressão de saturação do vapor que pode ser encontrado em tabelas termodinâmicas A entalpia de uma mistura é a soma das entalpias de cada componente presente na mistura Para o ar úmido a entalpia também pode ser expressa por w w a v p v a H h h c T h m Utilizando as tabelas de vapor de água MORAN et al 2018 percebese que a entalpia de vapor de água superaquecido a baixas pressões de vapor é próxima da entalpia de vapor saturado a temperaturas não muito maiores Então a entalpia de vapor da água pode ser considerada igual à entalpia do gás ou seja v g h h Um instrumento que serve para medir a quantidade de vapor de água presente no ar ou seja as temperaturas de bulbo úmido e de bulbo seco é o psicrômetro o qual é montado pelos dois termôme tros juntos Nele entra um fluxo de ar o qual entra em contato com os termômetros e se o ar não estiver saturado haverá evaporação da água que está na mecha do termômetro de bulbo úmido fazendo com que a temperatura da água caia abaixo da temperatura de bulbo seco Após um tempo as temperaturas podem ser lidas nos termômetros A tempe ratura de bulbo úmido dependerá das taxas de transferência de calor e massa entre o ar e a mecha que está umedecida portanto não é uma propriedade da mistura No entanto quando temos uma mistura de ar e vapor de água à pressão atmosférica podemos usar a temperatura de bulbo úmido lida no psicrômetro em vez da temperatura de saturação adiabática pois são aproximadamente iguais Saiba mais Você pode encontrar um exemplo de como estimar a temperatura do ponto de orvalho no capítulo 12 p 614616 do livro MORAN M J et al Princípios de Termodinâmica para Engenharia 8 ed Rio de Janeiro LTC Editora 2018 32 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Para determinarmos o estado do ar atmosférico a uma pressão especí fica necessitamos de duas propriedades intensivas independentes Assim as outras propriedades poderão ser calculadas por meio das relações vistas anteriormente Para dimensionarmos um sistema de condicionamento de ar depara monos com muitos cálculos Para facilitar um pouco a nossa vida de engenheiros temos as cartas psicométricas Figura 112 que são apresen tadas em diferentes pressões que apresentam o mesmo formato No eixo da abcissa temos a temperatura de bulbo seco e no eixo da ordenada temos a razão de mistura também chamada de umidade específica ω Do lado esquerdo temos a linha de saturação curva na qual estão todos os estados de ar saturado e onde a umidade relativa é igual a 100 A temperatura do bulbo úmido Twb é representada como linhas que apresentam um declínio para a direita sendo paralelas às linhas de entalpia constante em kJ kg de ar seco Já as linhas de volume específico constante em 3 m kg de ar seco são mais inclinadas do que as linhas de temperatura de bulbo úmido As temperaturas de bulbo seco bulbo úmido e ponto de orvalho são iguais para o ar saturado Analisando a carta psicrométrica se temos um processo de aquecimento ou resfriamento aparecerá como uma linha horizontal w constante se não existir umidificação ou desumidificação Se durante o processo houver adição ou remoção de umidade haverá um desvio nesta linha horizontal Figura 112 Diagrama Psicrométrico Fonte elaborada pelo autor Assimile Uma carta psicrométrica permite determinar a umidade relativa na saída de um ambiente que está sendo aquecido ou resfriado bastando Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 33 conhecer a temperatura a umidade relativa na entrada e a razão de mistura do ar Processos de condicionamento de ar e torres de resfriamento Para se obter uma temperatura e uma umidade desejadas seja de um local ou ambiente industrial um processo chamado de condicionamento de ar é requerido Esse processo pode ser de aquecimento resfriamento umidi ficação e desumidificação Um processo de condicionamento de ar pode ser modelado a partir de um balanço de massa e energia Consideremos a Figura 113 que tem duas entradas uma de ar úmido e outra de fluxo de vapor de água e uma saída de ar úmido Figura 113 Balanço de massa para o sistema de condicionamento de ar úmido Fonte elaborada pelo autor O balanço de massa para o ar seco e água da Figura 113 operando em regime permanente será w w w w 1 2 1 2 1 1 2 2 2 1 Balanço de massa de ar seco Balanço de massa da água se e Então substituindo a a v w v v a v a w a m m m m m m m m m m m Em que a m é a vazão mássica de ar seco v m é a vazão mássica de vapor da água e w é a razão de mistura Se não existe trabalho sendo realizado pelo sistema W 0 o balanço de energia será 1 1 1 2 2 2 0 a a v v w w a a v v Q m h m h m h m h m h Sendo que Q é a taxa de energia w h é entalpia da água pura ah é a entalpia do ar vh é a entalpia do vapor na mistura Se a entalpia do vapor vh na entrada a T1 e na saída a T2 assumimos como vapor saturado gh e sabendo que w w 1 1 2 2 e v a v a m m m m simplificando temos w w é ù ê ú ë û 1 1 1 2 2 2 1 2 0 também 0 a a g a g w w a w w Q m h h h h m h Q m h h m h Em que 1h é a entalpia de mistura por unidade de massa de ar seco que 34 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar pode ser encontrada diretamente no diagrama psicrométrico Para aquecimento ou resfriamento de um ambiente no qual nenhuma umidade é adicionada ou removida o balanço de massa é 1 2 a a a m m m para o ar seco e para água w w w w 1 2 1 2 ou a a m m Assim w será constante A taxa de energia necessária para o aquecimento está dada pela equação 2 1 2 1 outambém a a a a Q m h h Q m h h kJ s Desumidificação e umidificação A desumidificação do ar é realizada em lugares nos quais a umidade do ar é alta sendo uma alternativa para regular a umidade do ar É utilizado uma serpentina com fluido refrigerante para resfriar o ar ocasionando a conden sação da água do ar a qual é retirada do desumidificador como visto na Figura 114 Figura 114 Sistema de resfriamento e aquecimento do ar Fonte elaborada pelo autor Como o ar atinge temperaturas baixas geralmente é usado um aquecedor para aquecer o ar fornecendo ao ambiente um ar com menor umidade Isso pode ser representado numa carta psicométrica como na Figura 115a Nesta figura vemos que o ar com umidade inicial estado 1 é desumidificado até o estado 2 retirando água Posteriormente o ar é aquecido até uma tempe ratura próxima ou igual à temperatura de entrada estado 3 Note que na desumidificação temos uma corrente de ar úmido entrando e duas correntes saindo sendo uma de água pura e outra de ar com menor umidade O balanço de massa será w w 1 2 1 2 1 2 Balanço de massa de ar seco Balanço de massa da água onde a a w v w v a m m m m m m m Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 35 Agora o balanço de energia na seção de aquecimento do desumidificador será 1 1 1 2 2 2 0 a a v v w w a a v v Q m h m h m h m h m h Figura 115 Carta psicométrica da desumidificação e umidificação do ar a Desumidificação do ar b Umidificação com fornecimento de vapor c Umidificação com fornecimento de líquido Fonte elaborada pelo autor Quando um espaço habitado requer o aumento do teor de umidade a umidi ficação pode ser usada Ela pode ser feita de duas formas seja injetando vapor de água ou injetando água líquida Quando é introduzido vapor de água a tempera tura de saída do ar do umidificador apresentará um aumento da temperatura do bulbo seco tal como mostra a Figura 115b Já no caso do uso de água líquida a saída do ar do umidificador apresentará uma diminuição da temperatura tal como mostra a Figura 115c Em ambos os casos a razão da mistura deve aumentar Em climas quentes de baixa umidade a refrigeração pode também ser realizada por resfriamento evaporativo o qual consiste em borrifar água líquida no ar ou forçar a passagem do ar por uma almofada encharcada e reabastecida com água Devido ao ar que está na entrada ter pouca umidade uma parte da água injetada é evaporada acontecendo a umidificação do ar As torres de resfriamento como mostra a Figura 116 são utilizadas para fornecer água resfriada para diferentes usos por exemplo troca de calor em centrais elétricas Figura 116 Torre de resfriamento com ar atmosférico Fonte elaborada pelo autor 36 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar As torres de resfriamento podem funcionar por convecção natural ou convecção forçada de ar e os fluxos de ar e água podem ser em contracorrente corrente cruzada ou uma combinação delas Numa torre de resfriamento por convecção forçada conforme Figura 116 a água morna entra pela parte lateral superior da torre de forma borrifada Na parte superior da torre existe um venti lador para forçar a saída do ar atmosférico que entra na torre pela parte inferior entrando em contato com a água ao longo da torre ocasionando o seu resfria mento Nesse processo parte da água morna que entra na torre é evaporada e sai junto com o ar pela parte superior da torre de resfriamento e no fundo a água resfriada é retirada O balanço de massa para o ar seco e água é facilmente realizado como visto anteriormente Já no balanço de energia geralmente são considerados desprezíveis o trabalho realizado pelo ventilador e as perdas de energia da torre As torres de resfriamento têm grande aplicação quando a água é utilizada como fluído de resfriamento para a remoção de calor de um sistema Nas indústrias de processos onde o resfriamento das diferentes unidades requer de um fluido de resfriamento tal como água a torre de resfriamento pode ser utilizada Sem medo de errar Vamos lembrar que você está trabalhando numa indústria de laticí nios O seu líder pediu para você determinar qual será o gasto energético para um sistema de resfriamento com desumidificação do ar e um sistema de aquecimento com umidificação do ar a ser instalado nos ambientes de trabalho a serem construídos A Figura 117 ilustra o sistema de condi cionamento do ar Saiba mais Você poderá encontrar aplicações e usos de torres de resfriamento envolvendo balanço de massa e energia no capítulo 12 páginas 637639 do livro MORAN M J et al Princípios de Termodinâmica para Engenharia 8 ed Rio de Janeiro LTC Editora 2018 Figura 117 Ilustração a Resfriamento e desumificação b Aquecimento e umidificação Fonte elaborada pelo autor Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 37 Resolução Vamos começar pela estação de verão na qual deverá ser usado um resfriamento e um desumidificador As condições do ar úmido na entrada são de umidade relativa do ar de 70 35 ºC e 1 atm 101325 bar de pressão O ar na saída deverá ser saturado a 25 ºC portanto assumiremos que a remoção de água do resfriamento acontece a 25ºC A vazão de ar úmido é de 3 35 m min e escoa em regime permanente Além disso podemos assumir o ar e vapor de água como gases ideais A 25 ºC a entalpia da água líquida saturada é hw 10489 kJkg MORAN et al 2018 As condições de entrada e saída estão definidas Então usando a carta psicrométrica a 1 atm MORAN et al 2018 encon tramos as seguintes propriedades 1 1010 h kJkg de ar seco w 1 0025 kg de águakg de ar seco 1 0909 v m3kg de ar seco 2 760 h kgkg de ar seco w 1 002 kg de águakg de ar seco Aplicando o balanço de massa temos que w w w w w w Þ 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 Balanço de massa de ar seco Balanço de massa da água a a a v w v v a v a a w a w a m m m m m m se m m e m m m m m m m Lembrese que no resfriamento do ar calor é retirado Podemos usar a carta psicrométrica para a solução do problema Assim o balanço de energia será 1 2 a w w Q m h h m h Também vamos lembrar que a vazão mássica é dada por u 3 3 1 35 min 385 kg 0909 dearseco min a vazãovolumétrica m m volumemolar v m kg A vazão de remoção de água e o calor retirado no resfriador são dados por 385 0025 002 01925 min min w kg kg m æ ö ç ç ç çè ø min 385 101 76 01925 10489 9827 164 min min min 60 kg kg kJ kJ Q kW kg s Agora vamos resolver a problematização para a estação de inverno na qual será usado um aquecedor e umidificador A entrada do ar é de 15 ºC e a umidade relativa do ar de 20 As condições de saída do ar deverão ser 25 ºC umidade relativa do ar de 50 e a umidificação será feita com vapor de água A vazão do ar será de 3 35 m min e a pressão do local de 1 atm Algumas propriedades são necessárias para este problema Do livro de MORAN et al 2018 encontramos que o calor específico do ar Tabela A20 p 784 é 1004 pc kJ kg K A entalpia de vapor saturado Tabela A2 p 751 a 15 ºC é 25289kJ kg e pressão de saturação de 001705 bar e a entalpia de vapor 38 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar saturado a 25 ºC é 25472kJ kg e pressão de vapor de 003169 bar Na Figura 117b observamos que na seção de aquecimento w 1 w 2 Porém na seção de umidificação w 3 w 2 O balanço de massa e energia somente na seção de aquecimento será w w w w Þ Þ 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 Balanço de massa de ar seco Balanço de massa da água Balanço de energia a a a v v a a a m m m m m m m Q m h h Na seção de aquecimento precisamos calcular a pressão parcial de vapor na entrada f 1 1 015 001705 000256 v g p p bar A partir desse valor é possível calcular a pressão parcial do ar 1 101325 000256 101069 101069 a v p p p bar kPa Logo podemos calcular o volume específico usando a equação de gases ideais 1v RT p com 3 0287 R kPa m kg K 3 3 1 0287 27315 15 08182 101069 kPa m kg K K m v kPa kg A vazão mássica do ar é 3 3 1 35 min 08182 4278 min ma V v m m kg kg Com isso temos que os resultados são 1 000256 vp bar ap 101069 bar 3 1 08182 v m kg e 4278 min ma kg e w w 2 1 000157 kg de águakg de ar seco Agora você precisa determinar a entalpia 1h e 2h com a seguinte equação w w 1 1 1 2 2 2 1004 27315 15 000157 25289 29327 1004 27315 25 000157 25472 30334 p g p g h c T h kJ kg K K kJ kg kJ kg h c T h kJ kg K K kJ kg kJ kg As entalpias são 1 29327 h kJ kg 2 30334 h kJ kg Os valores encon trados são substituídos na equação do balanço de energia æ öæ ö ç ç ç ç ç ç è øè ø min 4278 30334 29327 718 min 60 kg kJ Q kJ s s kg Obtendose a taxa de calor de Q 718 kW Se consideramos que a taxa total de calor tanto para o resfriamento com desumidificação e aquecimento com umidificação é de 155 kW e 718 kW respectivamente teremos um total de 2268 kW Se o custo de 1 kWh é R 042 Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 39 portanto o custo total por dia considerando 24h será de R 22861 e o custo por mês será de R 685843 Portanto você pôde concluir que a solução da problematização proposta foi encontrada a partir da aplicação dos conceitos de resfriamento e desumi dificação assim como a formulação detalhada dos balanços de massa Portanto a solução do seu problema poderá ser apresentada a seu líder mostrando que o objetivo foi atingido de maneira satisfatória Aquecimento de sala de laboratório Descrição da situaçãoproblema Imagine que você está trabalhando em uma empresa de projetos de condicionamento de ar Um cliente seu precisa instalar um sistema de aqueci mento para uma sala de laboratório de controle de qualidade de produtos agrícolas Você é informado que a cidade onde fica o laboratório tem uma pressão de 1 atm e umidade relativa do ar de 80 variando muito pouco nas diferentes estações do ano Então existe interesse em instalar um aquecedor para fornecer um conforto térmico no laboratório na estação de inverno O ar está a 15 ºC e a umidade relativa do ar é de 80 Esperase que a tempera tura aumente para 20 ºC mantendo uma vazão de ar de 3 30 m min Portanto você precisa determinar qual será a taxa de calor necessário para o aqueci mento do laboratório Resolução da situaçãoproblema Para encontrar a taxa de calor para o aquecimento do laboratório você pode considerar que não haverá umidificação pois o ar na localidade já é úmido durante todo o ano Portanto do balanço de massa e energia temos 1 2 1 2 1 2 2 1 Balanço de massa de ar seco Balanço de massa da água a a a v v a m m m m m Balanço de energia Q m h h Com ajuda da carta psicrométrica a 1 atm MORAN et al 2018 deter minamos que na entrada a 15 ºC e 80 de umidade relativa 1 365 h kJ kg w w 1 2 00085kg de vaporkg de ar seco e volume específico 3 1 0828 v m kg de ar seco Na saída a 20 ºC o valor da entalpia 2 47 h kJ kg e a umidade relativa na saída será de aproximadamente 43 Avançando na prática 40 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar A vazão de ar é calculada pela razão da vazão volumétrica pelo volume específico u 3 1 3 1 30 min min 3623 06038 0828 min 60 a m kg kg m v m kg s s Então a taxa de calor para aquecimento será 06038 470 365 634 kg kJ Q kW s kg Portanto concluise que para aquecer uma sala de laboratório de controle de qualidade de produtos agrícolas usando uma vazão de ar de 3 30 m min a taxa de calor necessária deverá ser de 634 kW Faça valer a pena 1 O ar atmosférico é formado pelos gases nitrogênio oxigênio gás carbónico 2 CO e gases nobres como argônio criptônio hélio neônio radônio e xenônio sendo o oxigênio o mais importante para a vida humana e de outros seres vivos do nosso planeta A compo sição do ar pode ser expressa em função mássica ou molar e o volume que cada elemento ocupa num determinado volume pode ser conhecido a partir da composição Um recipiente fechado a 25 C e 1 atm contém 4 gramas de nitrogênio 2 N e 05 gramas de oxigênio 2 O e sabese que a massa molecular de nitrogênio é 1401 gmol e do oxigênio é 1600 gmol Qual será o volume total da mistura Assumir comportamento de gás ideal para a mistura a 928 L b 545 L c 814 L d 654 L e 774 L 2 O gás natural é formado por uma mistura de compostos gasosos chamados de hidrocarbonetos Na indústria do gás natural uma parte é utilizada na obtenção da gasolina leve usada como mistura em combustíveis automotivos facilitando a partida a frio e a outra em Gás Liquefeito de Petróleo GLP apropriado para uso doméstico ou em sistemas de aquecimento Suponha que um reservatório fechado a uma pressão de 1 atm e 298K contenha 5 kg de metano 3 kg de etano e 2 kg de propano Se a massa molar do metano é 1604 g Seção 12 Mistura de gases ideais e psicrometria 41 3 Para solucionar vários problemas de engenharia sempre temos que fazer algumas considerações É claro que temos que saber o que estaremos considerando depen dendo do que estamos querendo Com base nos estudos veremos uma aplicação em que são necessárias algumas considerações Temos 500 g de ar úmido que está a 20 ºC 1 atm 75 de umidade relativa e que será resfriado a 5 ºC mantendose a pressão constante A temperatura de ponto de orvalho e a quantidade de vapor de água que se condensa em kg serão respectivamente a 154 ºC e 000542 kg b 174 ºC e 001096 kg c 154 ºC e 000277 kg d 174 ºC e 000539 kg e 160 ºC e 001754 kg mol do etano é 3007 gmol e do propano é 441 gmol qual será a fração molar do metano etano e propano respectivamente a t ta 06724 02384 00892 me e prop y y y b t ta 06823 02184 00993 me e prop y y y c t ta 06830 02343 00827 me e prop y y y d t ta 06823 02084 01093 me e prop y y y e t ta 06823 00993 02184 me e prop y y y 42 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento Diálogo aberto Você já deve ter ouvido sobre a necessidade de um sistema de resfriamento para diminuição da temperatura do motor de um carro de seu interior ou até mesmo a diminuição da temperatura do interior de um recinto A implementação de sistemas que resolvam essas necessidades deve levar em conta a qualidade do ar a ser fornecido ao local pois dele depende um ambiente confortável e saudável Conhecer a energia necessária para aquecer ou resfriar um recinto é importante portanto é necessário conhecer como devem ser determinadas essas cargas conhe cidas como cargas térmicas de aquecimento ou cargas térmicas de resfriamento Para entendermos melhor a aplicação desses conceitos sobre a qualidade de ar e cargas térmicas de aquecimento e resfriamento vamos retomar o caso da indústria de laticínios em que você trabalha Devido ao aumento nas vendas e demandas do produto a fábrica tem aumentado a sua capaci dade de produção e as instalações de trabalho Uma nova construção foi feita conforme a Figura 118 na qual deverão trabalhar os funcionários da fábrica Seção 13 Figura 118 Planta da instalação de trabalho Fonte elaborada pelo autor A equipe de engenharia precisa saber quais serão as cargas térmicas de aqueci mento e resfriamento das estações frias e quentes do ano respectivamente para poder prever futuramente a instalação dos respectivos equipamentos Dessa forma você foi escolhido para calcular as cargas térmicas de aquecimento e resfriamento considerando que a nova sala de trabalho da fábrica está localizada em Porto Alegre e trabalharão nela 15 funcionários A construção tem paredes de 3 m de altura feitas com os seguintes materiais de construção paredes de tijolo aparente de 100 mm com estuque externo de 10 mm e reboco de cimento interno de 10 mm A parte superior do recinto laje é construída com bloco de concreto à base de areia e cascalho de 200 mm as janelas têm 120 m de comprimento por 10 m de altura com vidro simples de folha normal e persiana média há 10 lâmpadas Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 43 fluorescentes embutidas de 50 W que estarão acesas durante 16 h e uma porta de madeira de pinho de 50 mm de espessura de 21 m por 09 m Quais temperaturas podem ser admitidas no interior do ambiente de trabalho Quais serão as informações necessárias para determinar a transmissão de calor no recinto Como poderá ser relacionada a transmissão de calor com a carga térmica de aquecimento O conteúdo desta seção se refere às condições de projeto cargas térmicas de aquecimento e resfriamento e orientará você a encontrar uma solução para esse problema Para que tenha as ferramentas necessárias para começar o desenvolvimento dessa problematização convido você para a leitura deste material Não pode faltar Conforto Térmico e Qualidade do Ar Sabemos que o corpo humano tem uma grande capacidade de se adaptar podendo suportar condições térmicas bastante diferentes apenas necessitando um tempo para se acostumar Contudo às vezes a temperatura e a umidade do ambiente externo podem variar tanto que nem o corpo humano é capaz de se adaptar sendo necessário que as condições internas sejam controladas para nos dar conforto e um ambiente saudável Para mantermos a temperatura corporal geramos calor por um processo metabólico que pode ser afetado por alguns fatores fisiológicos tais como saúde idade e atividade Esse calor gerado é perdido aos poucos seja por convecção quando a pessoa perde o calor gerado por meio do ar ambiente quando está em repouso ou exercendo um trabalho em ambiente condicio nado por radiação quando as superfícies circundantes estão a uma tempe ratura menor que a temperatura corporal ou devido à respiração e transpi ração tal como mostra a Figura 119 Figura 119 Fatores que influenciam o conforto térmico Fonte elaborada pelo autor 44 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Para alcançarmos o conforto térmico também temos que lembrar dos quatro fatores ambientais envolvidos na liberação do calor a saber a tempe ratura do ar a temperatura superficial a umidade relativa e a velocidade do ar Tais fatores agem juntamente ao tipo e a quantidade de vestimenta usada pelo indivíduo além de seu nível de atividade exercida Reflita Você acha que um ambiente que fornece condições de conforto térmico para uma pessoa saudável pode ser aceito como satisfatório para uma pessoa que esteja doente São considerados valores adequados para nos fornecerem um conforto térmico temperatura entre 20 e 26 C umidade com temperatura de orvalho de 2 a 17 C e até 025m s de velocidade do ar Se estamos em ambientes mais quentes o conforto térmico será maior se usarmos roupas leves e se houver maiores velocidades de ar Já quando temos temperaturas baixas nos sentimos confortáveis se estivermos usando roupas pesadas Também devem ser consideradas as temperaturas das superfícies vizinhas as quais também influenciam o conforto térmico Para que um ambiente seja confortável também temos que garantir a quali dade do ar isto é garantir que esteja livre das fontes de poluição Para isso podemos utilizar a ventilação a qual fornece ar ao ambiente podendo ser ar externo que dilui o contaminante ar recirculado ou ainda uma proporção entre eles Se for utilizar o ar externo é importante que o ar seja de boa qualidade As taxas de ventilação de equipamentos de aquecimento ou resfriamento muitas vezes não podem ser uniformes pois dependem da ocupação por exemplo se são permitidos fumantes numa área ou não Tudo isso deve ser levado em consi deração no projeto Também deve ser avaliada a possibilidade de limpar ou filtrar o ar a fim de recirculálo A recirculação do ar é interessante para poupar energia quando o ar externo está em temperaturas muito altas ou muito baixas A Tabela 14 mostra dados recomendados para ventilação com ar Tabela 14 Recomendações do volume de ar externo para ventilação Tipo de ocupação Número de pessoas por 100 m2 de área Exigência de ar externo por pessoa L s Fumantes Não fumantes Escritórios 7 10 25 Salas de reunião e espera 60 175 35 Vestíbulos 30 75 25 Fonte adaptada de Stoeckers e Jones 1985 Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 45 A determinação da taxa de recirculação de acordo com a norma American Society of Heating Refrigerating and AirConditioning Engineers ASHRAE é dada por r m V V V Em que V é a taxa de suprimento de ar para ventilação Ls m V é a taxa mínima de ar externo para uma determinada aplicação e rV é a taxa de recirculação de ar Ls que é dada por 0 m r V V V E 0 V é a taxa de ar externo para uma determinada aplicação Ls e E é a efici ência de remoção de contaminantes por meio da filtragem do ar Então quando estivermos fazendo o projeto de um sistema de ar condicionado por exemplo não podemos esquecer de cada um dos fatores comentados aqui pois eles afetam desde a capacidade e o controle do sistema até a disposição dos dutos que serão utilizados Estimativa das Cargas Térmicas e Condições de Projeto A avaliação cuidadosa de cada um dos fatores tais como os climáticos a presença de fontes internas de calor o tipo de material utilizado na construção das paredes e o tamanho nos ajuda nos cálculos da transferência de calor estimando a capacidade dos componentes que integram o sistema a fim de manter um conforto térmico no ambiente Para os cálculos normalmente são consideradas condições ambientais próximas das condições extremas Para fazermos os cálculos de cargas térmicas existem vários métodos mas todos levam em consideração os fatores que afetam as cargas térmicas sendo divididos em quatro tipos como mostra a Figura 120 Figura 120 Fatores que modificam a carga térmica Fonte elaborada pelo autor a Transmissão quando há perda ou ganho de calor ocorre pela diferença da temperatura em um elemento da construção por exemplo paredes e teto 46 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar b Solar quando a transferência de energia solar ocorre através de um componente do edifício que seja transparente ou quando é absorvida por um componente opaco por exemplo janelas c Infiltração quando há perda ou ganho de calor através de infiltração do ar externo no ambiente condicionado por exemplo portas d Geração interna resulta da liberação de energia que ocorre no interior do ambiente por exemplo lâmpadas equipamentos e pessoas É claro que esses fatores podem alterar a temperatura do ambiente mas o equipamento seja de resfriamento ou aquecimento deverá operar para que a temperatura fique agradável Como condições de projeto para o cálculo das cargas térmicas de aquecimento estão as temperaturas de bulbo seco tanto interna quanto externa Para resfriamento admitese uma tempera tura interna entre 24 26 C e para aquecimento uma temperatura interna entre 20 22 C é aceitável No inverno a umidade relativa limitase ao mínimo de 30 e no verão ao máximo de 60 Já as condições de projeto para o cálculo das cargas térmicas de resfria mento envolvem além da temperatura de bulbo seco a intensidade de radiação solar e a umidade Neste caso o critério das condições limite é adotado em referência aos extremos de intensidade de radiação solar Então há a necessidade de se fazer diferentes cálculos para obtermos a carga térmica de resfriamento máxima como para várias horas do dia ou vários dias do ano Além disso ainda devemos levar em consideração a orientação do ambiente e sua localização geográfica A Tabela 15 fornece as temperaturas externas de projeto usando o critério dos 975 para o inverno para diferentes localidades Há também o critério dos 25 que admite que a temperatura pode ser excedida em apenas 25 das horas durante os meses de junho a setembro além da temperatura de bulbo úmido correspondente no verão Tabela 15 Temperaturas de projeto para algumas cidades Inverno Verão Cidade Temperatura C 975 bulbo seco Temperatura C 25 bulbo secobulbo úmido Porto Alegre 4 3324 Recife 21 3125 Rio de Janeiro 16 3326 Salvador 20 3126 São Paulo 8 2923 Fonte adaptada de Stoeckers e Jones 1985 Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 47 Por exemplo em Recife a temperatura externa no inverno é de 21 C e no verão de 31 C Carga térmica de aquecimento A carga térmica de aquecimento de um ambiente depende da carga térmica originada da transmissão térmica pelas paredes janelas teto etc e da carga de ventilação e de infiltração do ar interno do ambiente A carga térmica devido à transmissão de calor é obtida pela seguinte equação D e i tot A t q UA T T R Sendo que 1 tot UA R U é o coeficiente global de transferência de calor 2 W m K A é a área 2 m e i T T é a diferença da temperatura externa e interna K ou C tot R é a resistência térmica total K W e q é a transmissão térmica W A diferença de temperatura e i T T dependerá da estação do ano seja inverno ou verão A Tabela 16 mostra algumas resistências térmicas referentes a 1 2 m de área superficial e o inverso da condutividade térmica k para diferentes materiais de construção Tabela 16 Resistência térmica referente à unidade de área para materiais de construção Materiais 1 k m K W 2 R m K W Exteriores Tijolo aparente 076 Tijolo comum 139 Estuque 139 004 Bloco de concentro areia e cascalho 200 mm 018 Laterais de madeira compensada 10 mm 010 Laterais de alumínio ou aço e isolante 10 mm 032 Revestimento Madeira compensada 866 Placas de fibra densidade normal 13 mm 023 Placas de madeira aglomerada com resina 735 Telhados Telhado prémoldado 10 mm 006 Concreto À base de areia e cascalho 055 Agregado leve 194 Materiais isolantes Manta de fibra mineral 7590 mm 194 Enchimento de fibra mineral 160 mm 335 Materiais interiores Estuque de 15 mm 008 Rebocos à base de cimento 139 48 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Lembrese que a resistência térmica R de alguns materiais da Tabela 16 pode ser calculada multiplicando 1 k pela espessura do material L ou seja 1 R L k Exemplificando Imagine uma parede de 10 2 m feita com tijolo comum de espessura de 125 cm Temos que a parte externa é revestida com estuque de 10 mm e no interior com gesso de 16 mm Qual é a carga térmica se a diferença de temperatura é 8 C Resolução A Tabela 16 apresenta as resistências térmicas dos materiais Portanto temos que Tijolo comum espessura de 125 cm 1 0125139 0174 R L k Estuque de 10 mm 1 001139 0014 R L k Gesso de 16 mm 0066 R A resistência total é 2 0174 0014 0066 0254 Rtot m K W Lembrese as escalas Celsius e Kelvin são iguais portanto a diferença entre duas temperaturas seja em Kelvin ou em Celsius será a mesma Então a carga térmica de aquecimento será D 2 2 10 80 0254 tot A t m q K R m K W Fonte adaptada de Stoeckers e Jones 1985 Materiais 1 k m K W 2 R m K W Rebocos à base de gesso leve 16 mm 0066 Madeira pinho macia 866 Vidro Plano 2 U W m K Verão Inverno Vidro simples 59 62 Folha dupla 6 mm de espaço de ar 35 33 Saiba mais Informações sobre a condutividade térmica de materiais de construção podem ser encontradas no Apêndice A Tabela A3 do livro BERGMAN TL et al Transferência de Calor e Massa 7 ed Rio de Janeiro LTC Editora Ltda 2014 Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 49 Carga de ventilação e de infiltração A penetração de ar por infiltração do exterior para o interior de um recinto afeta a temperatura do ar assim como a umidade O efeito sobre a temperatura é denominado calor sensível e o efeito sobre a umidade calor latente Assim as cargas internas devido à presença de pessoas num recinto têm componentes sensíveis e latentes enquanto a transmissão de calor na estrutura de um recinto representa cargas sensíveis A carga de ventilação e infiltração devido à entrada de ar externo é expressa pelas seguintes equações Em que q é a carga W T é a temperatura externa eT e interna iT Q é a vazão em volume de ar externo Ls que pode ser considerado igual ao valor de o V Ls da Tabela 14 e w é a umidade absoluta kg de vapor de água kg ar seco externa we e interna wi A ventilação é a entrada forçada de ar em um recinto usando um equipamento Assim como o ar entra ele deve sair A infiltração não é fácil de ser controlada de forma que muitas construções são projetadas para serem limitadas a um mínimo realizando a vedação das superfícies externas uso de portas giratórias ou mantendo a pressão interna do local ligeiramente maior que a pressão externa Portanto q 31496 W Assimile É importante determinar cuidadosamente a carga térmica de aqueci mento sem esquecer nenhum dos lugares onde exista transmissão de calor pois o projeto de um sistema de aquecimento dependerá do valor determinado Cargas térmicas de resfriamento A carga térmica de resfriamento é a quantidade de energia a ser extraída de um lugar devido ao aquecimento a fim de fornecer um conforto térmico Ela resulta da contribuição da carga de geração interna de calor carga térmica de insolação de superfícies transparentes e cargas de insolação em superfícies opacas A carga de geração interna de calor se refere ao calor gerado devido ao aquecimento de lâmpadas à presença de pessoas e aos equipamentos w w ventilação infiltração ventilação infiltração 123 3000 e i e i total q Q T T q Q q q q w w ventilação infiltração ventilação infiltração 123 3000 e i e i total q Q T T q Q q q q w w ventilação infiltração ventilação infiltração 123 3000 e i e i total q Q T T q Q q q q 50 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Tabela 17 Fator de carga térmica FCR de resfriamento para iluminação N de horas após as luzes se acenderem Lâmpadas embutidas sem venti lação Horas de operação Lâmpadas penduradas e ventiladas Horas de operação 10 16 10 16 8 082 087 095 095 9 084 088 096 096 10 085 089 007 097 11 082 090 022 098 12 029 091 018 098 13 026 092 014 098 Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 Pessoas realizando uma atividade também tem um gasto energético Assim o calor liberado por uma pessoa dependendo da atividade é apresen tado na Tabela 18 Vale ressaltar que esses valores são apenas uma média Tabela 18 Calor devido dos ocupantes Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 Atividade Calor liberado W Calor sensível liberado Sono 70 70 Sentado quieto 100 60 Em pé 150 50 Andando 3 kmh 305 35 Trabalho de escritório 150 55 Aula professor 175 50 Trabalho Industrial 300600 35 A carga térmica de insolação através de superfícies transparentes é dada quando uma superfície transparente recebe calor por insolação por exemplo uma janela de vidro cuja transferência de calor resultante depende das características físicas da superfície Para uma janela de vidro transpa rente a energia solar devido à insolação que atravessa a superfície sg q considerando o estado estacionário é dada pelo Fator de Ganho de Calor por Insolação FGCI Wm2 e pelo coeficiente de sombreamento CS que em funcionamento O calor gerado pelas lâmpadas depende da potência da lâmpada A carga térmica produzida por lâmpadas é dada pela seguinte equação potência da lâmpada u r q F F FCR Em que uF é o fator ou fração de lâmpadas sendo usadas rF é o fator do reator de lâmpadas fluorescentes igual a 12 e FCR é o fator de carga térmica de resfriamento dado na Tabela 17 Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 51 Tabela 19 Valores máximos do FGCI FGCImax para vidro ensolarado Wm2 Nsombra NENO LO SESO S Horizontal 32 latitude norte Dezembro 69 69 510 775 795 500 Janeiro Novembro 75 90 550 785 775 555 Fevereiro Outubro 85 205 645 780 700 685 Março Setembro 100 330 695 700 545 780 Abril Agosto 115 450 700 580 355 845 Maio Julho 120 530 685 480 230 865 Junho 140 555 675 440 190 870 N Norte NE Nordeste NO Noroeste LO LesteOeste SESO SudesteSudoeste S Sul Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 permite incluir o efeito de sombreamento interno Portanto a energia solar que passa por uma janela é dada pela equação max qsg A FGCI CS A Tabela 19 apresenta os valores de fator de ganho de calor por insolação para vidro claro para diferentes meses do ano e a Tabela 110 apresenta valores de coeficiente de sombreamento para diferentes vidros com e sem sombreamento interno Tabela 110 Coeficiente de Sombreamento CS Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 Tipo de Vidro Espessura Sem sombra Persiana Cortinas tipo rolô mm Interno Médio Claro Escuro Claro Vidro simples folha normal 3 100 064 055 059 025 Laminado 612 095 064 055 059 025 Absorvedor 6 070 057 053 040 030 Folha dupla folha normal 3 090 057 051 060 025 Laminado 6 083 057 051 060 025 Reflectivo 6 0204 02 Na carga de insolação de superfícies opacas temos que a energia solar dissipada em uma parede é refletida em parte na forma de convecção e radiação e a outra parte é transmitida ao interior ou absorvida temporaria mente Para estimar a carga térmica de insolação temos que levar em consi deração o efeito de armazenamento térmico da estrutura Para isso é intro duzido um parâmetro denominado Diferença de Temperatura para a Carga de Resfriamento DTCR que considera o calor recebido por insolação e a capacidade térmica da parede O fluxo de calor através da parede conside rando o armazenamento térmico pode ser expresso por 52 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Lembrese que para estimar a carga de resfriamento você deve conhecer as temperaturas do exterior de bulbo seco de verão e a de bulbo úmido Você deve escolher a temperatura adequada do interior do recinto e determinar os coeficientes de transferência de calor das paredes do edifício ignorando as paredes internas do recinto lembrando que o valor calculado de U para resfriamento e aquecimento diferem no sentido do fluxo de calor Além disso devese estimar a taxa de infiltração ou ventilação com o ar externo e com base na localização e orientação devese determinar o ganho de calor por insolação Finalmente você deve estimar a carga de aquecimento interno devido a luzes equipamentos ou pessoas e somar todas as cargas para deter minar a carga total máxima de aquecimento ou resfriamento Sem medo de errar Você está trabalhando numa fábrica de laticínios e devido à expansão da fábrica foi construído um novo ambiente de trabalho onde irão trabalhar 15 funcionários Você foi indicado pelo seu líder para determinar as cargas térmicas de aquecimento e resfriamento do ambiente de trabalho como mostrado anteriormente na Figura 118 a partir da qual você pôde verificar que a sala tem 5 janelas de vidro simples de folha normal 12 m de comprimento por 10 m de Tabela 111 Diferença de Temperatura para Carga de Resfriamento em paredes ensolaradas Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 Hora solar Orientação N NE L SE S SO O NO 13 8 16 24 24 15 10 8 7 14 9 15 22 23 19 14 11 9 15 11 15 20 22 21 20 16 12 16 12 15 19 20 22 24 22 15 17 12 15 18 19 21 28 27 19 18 13 14 17 17 19 30 32 24 19 13 13 15 16 17 29 33 26 20 13 12 13 14 15 25 30 24 DTCRmax 13 17 25 24 22 30 33 26 qp UA DTCR A Tabela 111 apresenta valores de DTCR de resfriamento em paredes para uma parede constituída de blocos de concreto com 100 mm de espes sura e isolamento de 25 a 50 mm ou de tijolo de 100 mm com isolamento Para outros tipos de paredes ensolaradas consulte a referência da Tabela 111 Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 53 altura e persiana média bem como uma porta de madeira de pinho 50 mm de 21 m por 09 m As paredes têm 3 m de altura e os materiais de construção são paredes de tijolo aparente de 100 mm com estuque externo de 10mm reboco de cimento interno de 10 mm A parte superior do recinto laje é construída com bloco de concreto à base de areia e cascalho de 200 mm e há 10 lâmpadas embutidas fluorescente de 50 W que ficam acesas durante 16 h Primeiramente verificamos as temperaturas externas no inverno e no verão Segundo a Tabela 15 em Porto Alegre a temperatura externa no inverno pode ser admitida como 4 C Então a temperatura interna pode ser conforme condições do projeto 22 C e a umidade relativa admitida de 40 No verão a temperatura externa pode ser admitida como 33 C a temperatura interna conforme indicado pelas condições do projeto como 25 C e a umidade relativa admitida como 50 Agora vamos determinar a carga térmica de aquecimento devido à transmissão e ventilação Para a transmissão térmica devemos determinar as áreas das paredes janelas e portas Em seguida deter minaremos as resistências térmicas e finalmente a carga térmica total Assim 2 2 2 2 Área janela 512 1 6 Área porta 21 09 189 Área laje7 15 105 Área parede 23 7 23 15 6 189 12411 m m m m As resistências térmicas das paredes da porta da laje e dos vidros segundo a Tabela 16 são Parede tijolo aparente de 100 mm 01076 0076 2 m K W estuque de 10 mm 001139 00139 2 m K W reboco de cimento interno de 10 mm 001139 00139 2 m K W A resistência total nas paredes é de 0076001390139 01038 2 m K W A resistência da porta de madeira de pinho de 50 mm 005866 0433 2 m K W A resistência da laje de bloco de concreto areia e cascalho de 200 mm 018 2 m K W O coeficiente global de transferência de calor do vidro é de 62 2 W m K Assim a carga por transmissão total pelas paredes pela porta pela laje e pelas janelas é D 124114 22 1894 22 1054 22 6264 22 01038 0433 018 226103 e i tot Janela parede porta laje A t q UA T T R q q W 54 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar A vazão de ar externo para ventilação recomendada segundo a Tabela 14 para 15 pessoas não fumantes ocupando um espaço de 105 2 m é de 25 L s A carga de ventilação será ventilação 123 123254 22 5535 e i q Q T T W Portanto a carga térmica de aquecimento é a soma das cargas de trans missão térmica e ventilação carga aquecimento 226103 5535 226657 227 q kW Vale ressaltar que a carga de aquecimento determinada aqui não consi dera o calor gerado pelas lâmpadas acesas nem o calor proveniente dos ocupantes Agora faça o cálculo desses dois calores e determine a carga térmica de aquecimento que é o resultado da subtração do valor do calor gerado pelas lâmpadas e calor dos ocupantes do valor calculado acima Feito isso vamos determinar a carga térmica de resfriamento o procedimento é o mesmo para a carga térmica de aquecimento porém a temperatura exterior no verão é de 33 C e a temperatura interna deverá ser de 25 C Assumindo que as resistências térmicas não variam com a estação de verão então podemos considerar as mesmas da Tabela 16 No caso do vidro o valor dos coeficientes de transferência de calor é 59 2 W m K Portanto a transmissão térmica será D 1241133 25 18933 25 10533 25 59633 25 145501 01038 0433 018 e i tot Janela parede porta laje A t q UA T T R q W A carga de ventilação será ventilação 123 1232533 25 246 e i q Q T T W Assumindo que os funcionários realizam trabalhos de escritório o calor gerado pelos ocupantes segundo a Tabela 18 é de 150 W por ocupante tendo um total de 2250 W para os 15 ocupantes Segundo a Tabela 17 o fator de carga térmica de resfriamento para iluminação por lâmpada embutida acesa durante 16 horas e sem ventilação é de 091 com todas as lâmpadas instaladas e funcionando corretamente A carga térmica produzida para as 10 lâmpadas fluorescentes será potência da lâmpada 12 10 50112091 5460 u r r q F F FCR com F q W A carga térmica de resfriamento para o ambiente de trabalho será a soma de todas as cargas assim Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 55 Insolação de recintos de trabalho Descrição da situaçãoproblema Imagine que você está trabalhando em uma empresa que presta consul toria em projetos de sistemas de aquecimento e resfriamento O seu líder recebe um cliente que tem um problema de aquecimento em uma sala de computadores de sua empresa devido ao calor que entra por uma janela com cortinas rolô claras internas e vidro simples de 3 mm com dimensões de 3 m de comprimento por 15 m de altura A sua localização é latitude 32 na face sul com insolação no mês de julho na estação de verão A fim de projetar um equipamento de resfriamento fazse necessário determinar o ganho de calor pelas janelas sabendo que a condição de temperatura interna da sala é de 25 C e a temperatura externa de 36 C O seu líder pede para você determinar qual será o ganho de calor pelas janelas da sala de computadores Resolução da situaçãoproblema Você tem todas as informações necessárias para a solução dessa nova problematização Vamos começar pelo cálculo da Transmissão térmica pelo vidro Da Tabela 16 temse Vidro simples U 59 2 W m K valor para a estação de verão Área do vidro A 315 45 2 m 594536 25 29205 vidro e i q UA T T W Para determinar a energia solar que passa através da janela você precisa do máximo valor do fator de ganho de calor por insolação que pode ser obtido na Tabela 19 Considerando a face sul e latitude 32 do mês de julho temos que Avançando na prática Carga térmica de resfriamento 145501 246 2250 546 173707W A carga térmica de resfriamento para o ambiente de trabalho será de 174 kW Veja que a maior carga é devida à transmissão térmica e ela poderia diminuir caso as paredes e laje estivessem isoladas Veja que no final da solução deste problema você conseguiu utilizar os conceitos aprendidos nesta seção estimando as cargas térmicas e levando em consideração as condições do projeto 56 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar FGCImax 230 2 W m Da Tabela 110 o coeficiente de sombreamento para vidro simples de 3 mm com cortinas rolô claras é CS 025 Assim a energia solar que passa através da janela pode ser determinada com a seguinte equação max 45230025 25875 sg sg q A FGCI CS q W Portanto o ganho de calor pela janela será a contribuição do calor ganho por transmissão térmica e a energia solar que passa pela janela Ganho de calor 29205 25875 Ganho de calor 5508W Veja que o valor de 5508 W é a energia total que entra pela janela e esta deverá ser suprida por um equipamento de resfriamento Faça valer a pena 1 As cargas térmicas de aquecimento e resfriamento precisam ser cuidadosa mente determinadas para posteriormente projetarse um equipamento para resfriamento ou para aquecimento Dependendo dos materiais de construção e isolamento térmico usados uma construção pode ter uma redução da carga térmica Quais cargas devem ser determinadas para determinar a carga térmica de aquecimento a Carga de transmissão térmica de calor e carga em superfícies opacas e trans parentes b Carga de geração térmica de calor e carga de ventilação e infiltração c Carga de transmissão térmica e carga de geração térmica de calor d Carga térmica de insolação em superfícies opacas e transparentes e Carga de transmissão térmica e carga de ventilação e infiltração 2 As formas de energia transferidas pelas paredes e tetos de um recinto são formas de calor dissipadas sejam do exterior para o interior ou o contrário Normalmente em dias quentes o calor devido às altas temperaturas do meio ambiente é transferido para o interior de um recinto elevando sua temperatura o que acaba gerando desconforto térmico para as pessoas Considere uma parede externa de uma casa em Porto Alegre com 3 m de altura e 6 m de comprimento como mostra a Figura Seção 13 Carga Térmica de Refrigeração e de Aquecimento 57 Fonte elaborada pelo autor A parede é feita de tijolo comum de 100 mm de espessura com isolante de manta de fibra mineral de 80 mm e um acabamento interior de 16 mm de gesso A parede tem 2 janelas de vidro simples de 1 m de altura por 11 m de comprimento Se a tempera tura no interior for 25 qual será a perda de calor na parede a 1457 W b 1622 W c 3458 W d 1800 W e 1900 W 3 O aquecimento de prédios casas ou salas de trabalho se deve ao calor dissipado do exterior ao interior do recinto e ao calor interno devido a lâmpadas pessoas etc Em épocas de verão de calor intenso os ambientes são aquecidos com a transmissão de calor pelas paredes ou através das janelas Para determinar a carga térmica de resfria mento é imprescindível conhecer as temperaturas e as características necessárias do local para qual será feito o projeto Qual deverá ser a carga térmica de resfriamento de um recinto como mostra a Figura abaixo com uma janela de 13 m de comprimento por 1 m de altura com face nordeste em um local a 32 latitude norte no mês de julho A janela é de folha dupla com 6 mm de espaço de ar O vidro e as cortinas interiores tipo rolô apresentam um coefi ciente de sombreamento combinado de 060 A temperatura interna do recinto é de 25 C e a externa 30 C Há duas lâmpadas de 200 W funcionando ininterrupta mente Assinale a alternativa correta Figura Transmissão de calor através de uma parede 58 U1 Termodinâmica aplicada à refrigeração e ao condicionamento de ar Figura Transmissão de calor através de uma janela Fonte elaborada pelo autor a 5966 W b 4359 W c 7325 W d 6362 W e 5672 W Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 6401 Instalações centrais de arcondicionado para conforto parâmetros básicos de projeto Rio de Janeiro p 17 1980 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 164011 Instalações de arcondi cionado Sistemas centrais e unitários Parte 1 Projetos das instalações Rio de Janeiro p 60 2008 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 164012 Instalações de ar condicionado Sistemas centrais e unitários Parte 2 Parâmetros de conforto térmico Rio de Janeiro p 7 2008 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 164013 Instalações de arcondi cionado Sistemas centrais e unitários Parte 3 Qualidade do ar interior Rio de Janeiro p 24 2008 BERGMAN T L LAVINE A S INCROPERA F P DEWITT D P Fundamentos de Transferência de Calor e Massa Tradução Fernando Luiz Pellegrini Pessoa e Eduardo Mach Queiroz 7 ed Rio de Janeiro LTC 2017 694 p STOECKER W F JONES J W Refrigeração e Ar Condicionado Tradução José M Saiz Jabardo Euryale Zerbine Silvio de Oliveira Júnior e Saburo Ikeda São Paulo McGrawHill do Brasil 1985 481 p Unidade 2 Sistema de condicionamento de ar Convite ao estudo Devido aos problemas ambientais e ao aquecimento de nosso planeta as pessoas estão mais preocupadas com a qualidade e temperatura do ar Os sistemas de condicionamento de ar podem apresentar configurações variadas envolvendo sistemas de resfriamento e aquecimento do ar Os resfriadores garantem a desumidificação do ar enquanto o aquecedor regula a temperatura do ar e a umidade Um estudo mais detalhado deste material permitirá conhecer e compre ender os sistemas de condicionamento de ar e seus equipamentos Com o conhecimento dos diferentes sistemas de condicionamento de ar e compo nentes envolvidos tais como ventiladores dutos controle pneumático etc você poderá identificar os equipamentos e componentes dos sistemas de condicionamento de ar assim como saberá aplicar etapas de um projeto de um sistema de controle Com o conteúdo deste material você terá a capacidade de propor soluções a problemas que você poderá encontrar no exercício da sua vida profissional Então para melhor aplicar as informações e conceitos deste material vamos propor e trabalhar com três situações para as quais você deverá apresentar soluções Imagine que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de projetos de refrigeração e condicionamento de ar Esta empresa foi contra tada por uma fábrica de peças de automóveis para resolver alguns problemas nas suas instalações Primeiramente a fábrica tem um prédio com duas salas coletivas onde é necessára a implementação de um sistema de condicionamento de ar O seu líder optou por implementar um sistema com reaquecimento terminal e para isso será necessário determinar a taxa de remoção de calor na serpen tina do resfriado e a taxa de calor necessária no aquecedor desse sistema para manter um ambiente de trabalho a uma temperatura de 25C Além disso precisa verificar o impacto no aumento ou diminuição nas taxas de calor quando a temperatura diminui a 23C Numa segunda etapa para o sistema de reaquecimento terminal será necessário fazer um projeto da distribuição de ar o dimensionamento dos dutos e avaliar a circulação e ventilação de ar transportado Para isso será necessário definir os diâmetros de saída dos dutos a que serão acoplados os difusores nos ambientes bem como determinar a eficiência e potência do ventilador centrífugo Na terceira etapa o projeto do sistema de condicionamento de ar prevê a escolha de um tipo de resfriador e desumidificador de ar para a remoção de umidade do ar que será fornecido ao recinto assim como o projeto de controle do sistema de condicionamento de ar Você como engenheiro da empresa consultora precisa escolher qual tipo de serpentina bem como determinar a área da serpentina para a transferência de calor com o ar que irá para o sistema de condicionamento do ambiente Os sistemas de condicionamento de ar foram projetados somente para o conforto térmico ou também para o fornecimento de um ar mais saudável Qual sistema de condicionamento de ar é mais econômico A primeira seção desta unidade trata sobre os diferentes sistemas de condicionamento de ar desde o mais simples o sistema zona simples clássico até o sistema de água A segunda seção trata de dimensionamento de dutos circulação de ar ventiladores distribuição de ar características de bombas e projeto de sistemas de distribuição de água E finalmente na terceira seção serão abordados os tipos de resfriadores e desumidificadores de ar remoção de umidade controladores pneumáticos elétrico e eletrônico em condicio nadores de ar assim como o projeto de controle Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 63 Sistemas de condicionamento de ar Diálogo aberto Caro aluno sabese que para amenizar o calor em lugares fechados como prédios hospitais teatros etc são necessários sistemas que permitam a entrada de ar fresco ameno e com temperaturas adequadas a fim de garantir o conforto térmico das pessoas Assim os sistemas de condicionamento de ar são muito utilizados para esse propósito Geralmente esses sistemas possuem uma serpentina de resfriamento e outra de aquecimento Além disso existe uma ampla variedade de redes de dutos e sistemas de controle de tempera tura nos recintos Dependendo do sistema escolhido uma parte do ar pode ser recirculado e misturado com ar externo antes de entrar nas serpentinas de resfriamento e aquecimento para logo entrar no recinto Portanto para o condicionamento de ar de um recinto a fim de manter uma temperatura e umidade desejadas é necessário saber a quantidade de ar que deve ser forne cido e a temperatura do ar externo No final a carga térmica do sistema de condicionamento de ar vai depender do gasto de energia no resfriador e no aquecedor do ar Para levar esses assuntos a uma forma prática sabendo e conhecendo o fundamento de um sistema de condicionamento de ar vamos pensar que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de projetos de refrigeração e condicionamento de ar A empresa tem que realizar o projeto de um sistema de condicionamento de ar para duas salas de trabalho de uso coletivo de uma fábrica de peças de automóveis Seu líder depois de avaliar o local onde será executado o projeto decidiu por implementar o sistema de condicionamento de ar com reaquecimento terminal Assim ele lhe pede para determinar qual será a taxa de calor removido na serpentina do resfriador e na serpentina do aquecedor e também a vazão de ar necessária para fornecer ar para cada sala sabendo que a carga sensível em cada ambiente é de 40 kW assumir que o calor específico do ar de 10kJ kg K O ar na entrada do sistema deverá ser composto por 80 de recirculado e 20 de ar externo A temperatura do ar externo é de 35C e 50 de umidade relativa a temperatura do ar na saída da serpentina do resfriador deverá ser de 13C e na saída da serpentina do aquecedor de 16C A temperatura no interior da sala de trabalho deve ser mantida a 25C Além disso o seu líder quer saber qual será o impacto na taxa de calor do resfriador e do aquecedor caso a temperatura nas salas diminua para 23C A Figura 21 mostra o condicionamento de ar pelo sistema de reaquecimento terminal e as informações necessárias do projeto Seção 21 64 U2 Sistema de condicionamento de ar Figura 21 Condicionamento de ar para salas de trabalho Fonte elaborada pelo autor Será que é importante conhecer as cargas sensível e latente no ambiente a ser condicionado Porque o controle de umidade no ambiente é importante Existe um sistema de condicionamento de ar preferencial Para solucionar este problema convidamos você a ver o conteúdo de condicionamento de ar em zona simples clássica zonas múltiplas com reaquecimento terminal com volume de ar variável O conhecimento teórico colocado em prática é a coisa mais importante da vida profis sional e para isso devemos sempre buscar essa relação Então como precisamos ainda aprender está na hora de começar a leitura deste material para enriquecer seu conhecimento e colocálo em prática Bons estudos Não pode faltar Sistema zona simples clássico Na Seção 3 da Unidade 1 vimos como determinar as cargas térmicas de resfriamento e aquecimento de um espaço condicionado Nesta seção vamos tratar sobre a configuração dos componentes dos sistemas de distribuição de ar ou água responsáveis pela transferência de calor entre o espaço condi cionado e o sumidouro ou ar externo Uma configuração típica é o sistema zona simples clássico o qual é útil para aplicações em grandes espaços como auditórios e laboratórios onde o condicionamento de ar deve ser realizado com muito rigor Os componentes desse sistema seja para aquecimento e umidificação ou para resfriamento e desumidificação são representados na Figura 22 Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 65 Figura 22 Sistema zona simples clássico a sem recirculação de ar b com recirculação de ar Fonte elaborado pelo autor Como pode ser observado na Figura 22 a dependendo das condições externas esse sistema funciona tanto para resfriamento e desumidificação quanto para aquecimento e umidificação Temos que o ar externo entra pelo ponto E dirigindose para as serpentinas de resfriamento e aquecimento ventilador e umidificador para logo dirigirse à zona condicionada Antes do ponto de saída S é indicado colocar um ventilador de retorno de ar para evitar aumento da pressão na zona condicionada Assim o importante para este sistema é manter um minucioso controle da vazão de ar externo na entrada Por outro lado a zona condicionada deve ter um controle de tempe ratura realizado através de um termostato T que manda um sinal para a serpentina de resfriamento ou aquecimento ajustando assim a temperatura Da mesma forma a umidade é controlada através de um umidostato U que controla a entrada de água no umidificador Em ambientes fechados com pessoas é indicada a ventilação com ar externo e o condicionamento de ar é indicado para manter o conforto Assim é indispensável uma vazão mínima de entrada de ar externo entre 10 a 20 da vazão total de ar fornecido insuflado ao recinto Casos especiais como em hospitais o ar de ventilação tem que ser totalmente externo sem recirculação de ar Na Figura 22 b é mostrado um sistema com parte do retorno do ar sendo recirculada e a outra sendo eliminada sendo que a parte recirculada é misturada com ar externo para entrar no ponto E Esse sistema é controlado por válvulas dampers a fim de controlar a vazão nas linhas Reflita Imagine o condicionamento de ar numa sala de conferências dividida em fumantes e não fumantes Pensando na área de fumantes seria neces sário recircular o ar passando por um filtro ou talvez seria necessária uma percentagem de fornecimento de ar externo 66 U2 Sistema de condicionamento de ar Para um projeto de um sistema zona simples num sistema de condi cionamento de ar que tenha uma adição de carga sensível e latente seja do meio exterior ou interior a temperatura e umidade absoluta do ar fornecido devem ser menores que os do ambiente condicionado A relação entre as cargas sensível e latente pode ser determinada traçando uma linha entre as cargas sensível de resfriamento sq kW e a carga latente L q kW como mostra a Figura 23 Qualquer ponto i sobre essa linha de relação de cargas fornecerá a relação de carga pela seguinte equação p c i s c i s L c t t q h h q q Em que pc é o calor específico do ar ch e ih são a entalpias no recinto e no ponto i respectivamente e ct e it são as temperaturas no recinto e no ponto i qualquer respectivamente Vale ressaltar que a carga sensível é igual a p q m c t D sendo que t D é a variação da temperatura A projeção da linha de relação de cargas entre as condições de tempera tura e umidade do recinto e o ponto i fornece a temperatura de bulbo seco e bulbo úmido na saída do resfriador ou do aquecedor para um sistema zona simples como visto na Figura 23 Figura 23 Linha de relação de cargas para um processo de resfriamento e desumidificação vista através de uma carta psicrométrica Fonte elaborada pelo autor A vazão de ar fornecida ao recinto será s s L p c i c i q q q m c t t h h Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 67 Exemplificando Uma sala condicionada deverá estar a 20C e 50 de umidade relativa A sala apresenta uma carga sensível de 70 kW e carga latente de 30 kW Qual a temperatura em que a linha da relação de cargas intercepta a linha de saturação Assumir 1004 pc kJ kg K Solução A razão de cargas está dada pela seguinte equação 70 07 70 30 p c i s c i s L c t t q h h q q Na temperatura de 20C e umidade relativa de 50 através da carta psicrométrica MORAN et al 2018 temos que 385 ch kJ kg Para determinar a linha escolhemos uma temperatura arbitrária it menor que 20C exemplo 10C e então calculamos ih assim 1004 20 10 07 385 ih Ou seja 2416 ih kJ kg Usando a carta psicrométrica a projeção da linha da relação de cargas para os pontos c condições do recinto 20 C e 50 e i condições de 10 C e 2416 ih kJ kg temse que a temperatura na linha de saturação é de 4C de bulbo seco e 4C de bulbo úmido Sistemas de zonas múltiplas O condicionamento de ar a partir da utilização de um sistema para cada zona em um determinado prédio não é economicamente viável portanto é comum empregar um único sistema central que envolva vários espaços como salas corredores andares ou até mesmo todos os ambientes interiores do prédio Em geral esse sistema é controlado por um único termostato Em aplicações de sistemas com reaquecimento terminal é empregada uma variedade de redes de dutos com diversas localizações de serpentinas e diversas estratégias de controle Esse sistema está baseado no resfriamento de todo o ar até uma temperatura próxima de 13C para garantir a desumidifi cação Logo é feito o reaquecimento em cada zona que é controlado por um termostato localizado no próprio lugar em cada zona fornecendo ar nas condições desejadas e especificadas A serpentina de reaquecimento pode ser de água quente ou com resistência elétrica As vantagens do sistema de reaquecimento terminal é que usa um sistema de dutos que ocupa pouco espaço e tem um excelente controle das condi ções ambientais em cada zona mesmo se a zona tiver uma variação de carga térmica Esse sistema mostra uma desvantagem que é o elevado consumo de energia para o resfriamento e para o reaquecimento No entanto uma forma 68 U2 Sistema de condicionamento de ar de reduzir o consumo de energia seria aumentando a temperatura do ar frio até um valor suficiente de modo a desligar uma das serpentinas de reaque cimento Um sistema de reaquecimento terminal é mostrado na Figura 24 Figura 24 Sistema com reaquecimento terminal Fonte elaborada pelo autor Outra forma de reduzir o consumo de energia seria reaproveitando a energia de sistemas por exemplo do refrigerador em que a energia rejeitada no condensador serviria com fonte para o reaquecimento do ar Outro sistema utilizado é o sistema de duplo duto ou multizona Nele o ar que vem do ventilador é dividido em duas partes sendo que uma parte vai para serpentina de aquecimento e a outra vai para a serpentina de resfria mento conforme mostra a Figura 25 Figura 25 Sistema de duplo duto Fonte elaborada pelo autor Antes da entrada do ar nos espaços condicionados há uma caixa de mistura controlada por um termostato na qual é feita a mistura de ar quente e ar frio nas devidas proporções a fim de manter a zona na tempe ratura desejada Esse sistema é bem sensível às mudanças de carga em cada zona acomodando simultaneamente o resfriamento em algumas zonas e o aquecimento em outras Uma desvantagem desse sistema é que são necessárias duas redes de dutos com tamanhos suficientes Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 69 para comportar a vazão total do sistema Quando houver períodos nos quais ocorrem resfriamento e aquecimento simultaneamente haverá a diminuição da eficiência energética Haverá outros casos em que a temperatura do ar externo é baixa o suficiente para chegar aos 13C sem que haja a necessidade de operar a serpentina de resfriamento economi zando energia e tornandoo mais econômico Uma boa eficiência energé tica pode ser alcançada em clima quente no qual a temperatura do duto quente pode ser baixa ou ainda melhor a serpentina de aquecimento pode ser desligada O sistema multizona é termicamente análogo ao sistema de duplo duto mas a configuração difere pois as caixas de mistura estão agrupadas na unidade central e dutos individuais transportam o ar misturado para cada zona Sistemas com volume de ar variável Devido às más características energéticas dos sistemas com volume de ar constante apresentados até o momento principalmente durante as cargas baixas de aquecimento ou resfriamento as preferências mudaram em novos projetos para sistemas com volume de ar variável VAV Existe um grande número de variações de sistemas VAV e também um número de combi nações possíveis de VAV com outros sistemas As três configurações mais importantes são VAV somente resfriamento ou aquecimento VAV com reaquecimento e VAV com duplo duto No sistema VAV somente de resfriamento Figura 26 temos uma única corrente de ar frio que atende a todas as zonas e um termostato em cada zona que regula uma válvula para controlar a vazão de ar frio para cada zona Figura 26 Sistema de volume de ar variável com serpentina de refrigeração Fonte elaborada pelo autor 70 U2 Sistema de condicionamento de ar A característica de energia desejável desse sistema é que operando a baixas cargas de resfriamento a vazão de ar é reduzida de modo que a capacidade de resfriamento necessária na serpentina seja correspondente mente reduzida Este tipo de sistema é muito utilizado em espaços interiores de edifícios que não têm cargas de aquecimento nos quais somente cargas de resfriamento prevalecem O sistema apresenta um problema para cargas de resfriamento muito baixas em razão da diminuição da vazão de ar que cai tanto que resulta em uma má distribuição de ar eou ventilação O sistema VAV somente de aquecimento tem a mesma estrutura daquela apresentada na Figura 26 mas no lugar da serpentina de resfriamento temos a serpentina de aquecimento que fornece uma fonte de ar quente à tempe ratura constante As condições adaptáveis a um sistema VAV somente de aquecimento são bastante raras na construção de sistemas de condiciona mento de ar O sistema VAV com reaquecimento é similar ao da Figura 26 diferindo somente que em cada zona é colocada uma serpentina de reaquecimento A sequência de controle se dá assim que as cargas de resfriamento caem com a válvula reduzindo a vazão de ar para a faixa de 25 a 30 da vazão total Nesse ponto a vazão de ar se mantém constante e a serpentina de reaquecimento é ativada O sistema VAV com reaquecimento supera uma série de deficiências do sistema VAV somente de resfriamento pois esse sistema fornece um meio de obter distribuição de ar e ventilação adequadas sem pagar a penalidade do alto gasto de energia utilizada em aplicações de reaquecimento em volume constante Temos ainda o sistema VAV com duplo duto semelhante àquele apresen tado na Figura 25 exceto pelas características de fluxo das caixas de mistura Em vez de fornecer uma vazão constante de ar misturado as válvulas são dispostas de modo que as vazões de ar quente e frio caiam consideravelmente antes que a outra corrente comece a fornecer ar tendo como resultado uma vazão variável de ar na zona mas pela escolha apropriada das características de controle a vazão de ar mínima desejada é garantida Assimile Tanto o sistema VAV de duplo duto quanto o sistema VAV com reaquecimento fornecem toda a flexibilidade dos sistemas de duplo duto e de reaquecimento convencionais uma vez que uma zona pode mudar de aquecimento para resfriamento enquanto outras zonas podem ser fornecidas tanto com aquecimento como com resfria mento ao mesmo tempo Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 71 Sistema de água Sabemos que a transferência final de calor no espaço condicionado deva ser de ou para o ar externo Porém nos sistemas de água o aquecimento e resfriamento são realizados somente através da distribuição da água O ar externo para ventilação deve ser fornecido e condicionado em cada zona As unidades terminais mais comumente usadas para este sistema são as de serpentinaventilador fan coil convectores que são superfícies quentes por onde passa o ar a ser aquecido dentre outros O sistema ocupa pouco espaço e geralmente é o sistema de custo mais baixo disponível mas não apresenta controle de umidade e a ventilação pode ser incerta mesmo se aberturas externas forem fornecidas em cada unidade terminal Quando estamos em clima frio algumas precauções devem ser tomadas quando há abertura para o ar externo pois pode ocorrer o congelamento das serpentinas por exemplo Como há a necessidade de se ter um dreno de condensado em cada serpentina a manutenção destes sistemas deve ser um fator mais significante do que em sistemas a ar em que a desumidificação pode ser realizada em um local central As unidades de serpentinaventilador podem ter sistemas de distribuição de água de dois ou quatro tubos O sistema de dois tubos tem uma única serpentina e o sistema pode aquecer ou resfriar mas não é possível aquecer algumas zonas enquanto as outras estão sendo resfriadas Os sistemas de água podem usar convectores que não têm ventilador os quais são muito usados para aquecimento e raramente são usados para resfriamento devido ao problema de drenagem do condensado Com os assuntos abordados nesta seção você já tem o conhecimento necessário para aplicálos na prática o que é de grande importância para fixar os conteúdos aprendidos Saiba mais Para você saber mais sobre sistemas de climatização convidamos a ler o artigo a seguir REIS B L BARBOSA R M MENDES N HVACLST Software de Simulação de Sistemas de Climatização Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Maceió p 16021611 2005 72 U2 Sistema de condicionamento de ar Sem medo de errar Retomando a problematização proposta você está trabalhando como engenheiro numa empresa de projetos de refrigeração e condicionamento de ar Seu líder tem um projeto para condicionamento de ar de duas salas de trabalho de uso coletivo dos funcionários de uma fábrica de peças de automó veis O condicionamento de ar prevê a instalação de um sistema com reaque cimento terminal Ele pede para você determinar a taxa de calor removido na serpentina do resfriador e do aquecedor além da vazão de ar necessária fornecer a cada sala assumir que o calor específico do ar é 10kJ kg K sabendo que a carga sensível em cada ambiente é de 40 kW Você sabe que o ar na entrada principal do sistema é composto por 80 de ar recirculado e 20 de ar externo a uma temperatura de 35C e 50 de umidade relativa Além disso na saída da serpentina do aquecedor o ar deverá estar a 16C A temperatura no interior da sala de trabalho deve ser mantida a 25C Por último seu líder quer saber qual será o impacto no aumento ou diminuição da taxa de calor do resfriador e aquecedor caso a temperatura nas salas diminua para 23 C Para entender e compreender melhor as informações do sistema de condicionamento de ar vamos ver a Figura 21 Figura 21 Condicionamento de ar para salas de trabalho Fonte elaborada pelo autor Primeiramente vamos a determinar a vazão de ar que deverá entrar nas salas Sabemos que a carga sensível é de 40 kW e a temperatura na sala deve ser 25C Também é conhecida a temperatura na entrada da sala de 16C Então usando a seguinte equação temos s p q mc t D Portanto temos que 40 4444 10 25 16 s p kW q kg m c t kJ kg K C s D Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 73 A vazão de ar que deverá entrar em cada sala será de 4444kg s e como são duas salas então a vazão de retorno de ar será de 8888kg s Ou seja o valor de 8888kg s de ar é a quantidade que deverá entrar na serpentina de resfriamento para depois ser dividida pela metade para cada sala Portanto se essa quantidade é composta por 80 de ar recir culado e 20 de ar do exterior então as quantidades de ar externo e do ar recirculado serão 8888 20 1778 100 8888 80 7110 100 kg Ar externo s de ar externo kg Ar recirculado de ar recirculado s Se a sala é mantida a 25C para determinar a taxa de calor removido no resfriador é necessário saber a temperatura na entrada do resfriador Ela pode ser calculada no ponto da mistura M arext arrecir ent resf q q q 1778 10 35 7110 10 25 1778 10 ent resf kg kJ kg kJ kg kJ C C t s kg K s kg K s kg K æ ö æ ö æ ö æ ö æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø è ø è ø è ø è ø 270 tent resf C Portanto a taxa de calor na serpentina de resfriamento e a taxa de calor na serpentina de aquecimento serão 1 8888 10 27 13 124432 4444 10 25 16 39996 resfriamento p resfriamento aquecedor sala p aquecimento kg kJ q mc t C q kW s kg K kg kJ q mc t C q kW s kg K æ ö æ ö ç ç D Þ ç ç ç ç ç è ø è ø æ ö æ ö ç ç D Þ ç ç ç ç ç è ø è ø Veja que o calor na serpentina de aquecimento é de 39996 kW para 1 sala considerando que são duas salas então a taxa de calor de aquecimento será de 239996 79992kW Dessa forma para manter a sala a 25C a taxa de calor total deverá ser de 124432 79992 2044kW Agora se a temperatura da sala for mantida em 23C considerando que a vazão de ar permanece constante a temperatura na entrada da serpentina do resfriador no ponto M da Figura 21 será 74 U2 Sistema de condicionamento de ar 1778 10 35 7110 10 23 1778 10 ent resf kg kJ kg kJ kg kJ C C t s kg K s kg K s kg K æ ö æ ö æ ö æ ö æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø è ø è ø è ø è ø 254 tent resf C As taxas de calor nas serpentinas de resfriamento e aquecimento serão 1 8888 10 254 13 110211 4444 10 23 16 31108 resfriamento p resfriamento aquecedor sala p aquecimento kg kJ q mc t C q kW s kg K kg kJ q mc t C q kW s kg K æ ö æ ö ç ç D Þ ç ç ç ç ç è ø è ø æ ö æ ö ç ç D Þ ç ç ç ç ç è ø è ø Considerando que temos 1 aquecedor para cada sala a taxa de calor no aquecedor será 62216 kW Portanto a taxa total de calor será de 1724 kW Com esses resultados em mãos você pode concluir que se a temperatura das salas de trabalho for reduzida de 25C para 23C haverá uma diminuição da taxa de calor em 32 kW 2044 kW 1724 kW Veja que aplicando o conhecimento dos assuntos abordados nesta seção você chegou corretamente à solução do seu problema Condicionamento de ar da sala de auditório de um prédio Descrição da situaçãoproblema Vamos pensar que você um engenheiro recémformado está trabalhando numa empresa de projetos de condicionamento de ar que recebeu de um cliente a demanda para elaboração de um projeto de condicionamento de ar de uma sala de auditório de um prédio O seu líder deseja que você determine qual será a carga térmica de resfriamento para um sistema com volume de ar variável VAV As vazões e temperaturas no sistema estão mostrados na Figura 27 As vazões já foram estimadas segundo as cargas sensível e latente que deverão existir no auditório Avançando na prática Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 75 Figura 27 Sistema com volume de ar variável para condicionamento de ar de um auditório Fonte elaborada pelo autor Resolução da situaçãoproblema Como pode ser visto na Figura 27 o volume de ar fornecido ao auditório deverá ser de 70 Para resolver seu problema você primeiramente precisa calcular qual será a temperatura de retorno de ar tret e depois calcular a temperatura na entrada na serpentina tent serp No misturador de ar no ponto A pelo balanço de energia temse auditorio recir ret q q q p p p aud recir ret mc t mc t mc t 98 10 24 42 10 13 140 10 ret kg kJ kg kJ kg kJ C C t s kg K s kg K s kg K æ ö æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø è ø 207 tret C Agora você sabe que a temperatura do retorno de ar é de 207C Aplicando um balanço no ponto B determinase a temperatura na entrada da serpentina tent serp arexterno retorno ent serp q q q 30 10 30 110 10 207 140 10 ent serp kg kJ kg kJ kg kJ C C t s kg K s kg K s kg K æ ö æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø è ø 2269 tent serp C 76 U2 Sistema de condicionamento de ar Você sabe agora que a temperatura na entrada da serpentina de resfria mento é de 2269C e a temperatura de saída de 13C Então a taxa de calor de resfriamento será de 14 10 2269 13 13566 ser p kg kJ q m c t C kW s kg K æ ö æ ö ç ç D ç ç ç ç ç è ø è ø Portanto a taxa de calor de resfriamento do sistema com volume de ar variável é de 13566 kW 1 Os sistemas de condicionamento de ar permitem fornecer ar a um ambiente para manter o conforto térmico Entre os sistemas de condicionamento de ar temse uma combinação de resfriamento e posterior reaquecimento do ar a fim de garantir um insuflamento de ar no recinto na temperatura e umidade relativa adequadas Faça valer a pena Uma sala de escritório tem que ser mantida a 23C e 40 de umidade relativa A sala tem uma carga térmica sensível de 300 kW e uma carga térmica latente de 428 kW Um sistema de condicionamento de ar é equipado para reaquecer o ar que sai da serpentina de resfriamento a 13C conforme Figura A serpentina de resfriamento tem a capacidade de resfriar o ar até 11C e 80 de umidade relativa Considerando que a capacidade calorífica é de 10kJ kg K qual será a vazão de ar Figura Aquecimento de uma sala de escritório Fonte elaborada pelo autor Seção 21 Sistemas de condicionamento de ar 77 2 Quando um espaço ou recinto de um prédio precisa ter um sistema de condi cionamento de ar alguns tipos de sistemas podem ser escolhidos para a implemen tação do projeto Alguns sistemas que podem ser usados são o sistema zona simples sistema com reaquecimento terminal ou um sistema de duplo duto ou multizona Assinale a alternativa correta a 25kg s b 35kg s c 27kg s d 21kg s e 30kg s Um espaço condicionado com o sistema de duplo duto Figura apresenta uma carga térmica de aquecimento de 10 kW e uma carga sensível de resfriamento de 7 kW O espaço deve ser mantido a 25C e as temperaturas nos dutos frio e quente são de 17C e 37C respectivamente Se o ar de retorno é de 25C qual será a taxa de aquecimento e resfriamento se a condição parcial de carga de resfriamento for de 5 kW Considere o calor específico do ar igual a 10kJ kg K Figura Sistema de duplo duto a Taxa aquecimento 24 kW e taxa de resfriamento 12 kW b Taxa aquecimento 62 kW e taxa de resfriamento 12 kW c Taxa aquecimento 12 kW e taxa de resfriamento 75 kW d Taxa aquecimento 12 kW e taxa de resfriamento 62 kW e Taxa aquecimento 24 kW e taxa de resfriamento 62 kW Fonte elaborada pelo autor Assinale a alternativa correta 78 U2 Sistema de condicionamento de ar 3 O condicionamento de ar em recintos envolve um gasto energético devido ao consumo de energia nas serpentinas de resfriamento e aquecimento As taxas de energia na serpentina de resfriamento e aquecimento podem variar de acordo com a variação da temperatura que deve ser mantida no recinto e com a quantidade de retorno de ar utilizado Figura Resfriamento pelo sistema com reaquecimento terminal O condicionamento de uma sala de trabalho de uma empresa funciona com um sistema com reaquecimento terminal com reciclo Temse que 15 kgs de ar são forne cidos diretamente na sala sendo que o sistema recebe uma vazão de ar externo de 4 kgs a 30C e 40 de umidade relativa A sala de trabalho tem uma carga sensível de 110 kW e a carga latente é desprezível A temperatura de ar na saída da serpentina de resfriamento é de 13C Se a temperatura interna da sala de trabalho é de 25C qual será a percentagem de aumento ou diminuição da taxa de remoção de calor no resfriamento se a temperatura da sala for diminuída para 23C quando o calor especí fico do ar for igual a 10kJ kg K a Aumentará 25 b Diminuirá 18 c Aumentará 18 d Diminuirá 11 e Aumentará 11 Fonte elaborada pelo autor Assinale a alternativa correta Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 79 Dutos ventiladores tubulações e bombas Diálogo aberto Caro aluno sabemos que um sistema de condicionamento de ar deve prever uma circulação adequada e uma dispersão homogênea de ar no lugar a ser condicionado Normalmente em centros com grande movimento de pessoas tais como hospitais usando um ventilador o ar é conduzido através de dutos isolados termicamente para uma serpentina de resfriamento do ar e posteriormente para os ambientes a serem condicionados conhecendo a vazão de ar e as perdas de carga no sistema Contudo a distribuição de ar nos recintos deve ser uniforme a fim de minimizar os gradientes de temperatura entre a parte superior e inferior do recinto Você se lembra que o condiciona mento do ar deve ter aquecimento ou resfriamento Nos sistemas de aqueci mento por exemplo são utilizados fluidos térmicos como água quente para a troca de calor com o ar Assim uma bomba tem um papel importante pois realiza o escoamento da água quente através de um sistema de distribuição de água o qual deve ser projetado Esses conhecimentos são muito importantes quando há necessidade de elaborar um projeto de condicionamento de ar A fim de aplicar esses conhe cimentos na prática vamos lembramos que você é um engenheiro que está trabalhando numa empresa de projetos de refrigeração e condicionamento de ar A empresa tem um cliente que fabrica peças de automóveis e na primeira fase do projeto realizou a implementação de um sistema de condi cionamento de ar com reaquecimento terminal para as salas de trabalho da fábrica Agora para atender a outra fase do projeto devese realizar a distri buição de ar e o dimensionamento de dutos para as salas de trabalho A B C D E e F da fábrica a partir do sistema mostrado na Figura 28 Seção 22 Figura 28 Sistema de distribuição de ar Fonte elaborada pelo autor 80 U2 Sistema de condicionamento de ar Para esse projeto o seu líder precisa saber qual será o diâmetro de saída dos dutos onde estarão acoplados os difusores em cada ambiente Além de realizar esse trabalho você também precisa determinar qual será a eficiência e potência necessária do ventilador sabendo que a rotação do ventilador não deve ser superior a 20 rotações por segundo e as dimensões do duto de saída do ventilador são de 0517 m por 0289 m O seu líder sugere que a perda de carga no duto horizontal de 20m seja de 2 Pa m considere também que o comprimento equivalente de cada cotovelo é de 1 m A densidade do ar pode ser considerada como 12 3 kg m Além disso para uma boa distri buição de ar nos ambientes você precisará indicar quais exigências deverão ser cumpridas Você sabe dizer quais são as variáveis que influenciam a perda de carga Que fatores devem ser levados em consideração para se ter uma distribuição de ar homogêneo num recinto A fim de começar a elaboração da solução deste problema você poderá usar o conteúdo de circulação de ar dimensionamento de dutos ventila dores centrífugos e distribuição do ar em recintos Para aprender a encontrar soluções práticas para problemas do cotidiano e que contribuirão com sua formação profissional convidamos você à leitura deste material Bons estudos Não pode faltar Circulação do Ar Caro aluno nesta seção iremos estudar o sistema dutosventiladores que deve ser cuidadosamente projetado pois sabemos que o motor do ventilador é responsável por consumir uma grande parcela da energia do sistema e os dutos ocupam um espaço grande do edifício Infelizmente a prática exercida pelos projetistas é de escolher um sistema que opere bem deixando de lado a preocupação de ser um sistema otimizado que envolve minimização de custo de energia gasta do custo de implementação do sistema de dutos e também do custo do espaço que os dutos e ventilador ocupam no edifício Porém fazendo uso de um software CAD Computer Aided Design esses problemas podem ser contornados Dimensionamento dos dutos Para falar de dimensionamento de dutos precisamos definir um sistema de dutos Um sistema de dutos é o espaço por onde deve escoar o ar estando conformado por dutos retos e conexões como cotovelos ramificações de entrada e saída válvulas e registros O sistema deve cumprir com alguns requisitos tais como conduzir o ar a locais apropriados ser economicamente Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 81 viáveis com baixo custo de operação e que não emitam nem produzam poluição sonora ruído muito alto No dimensionamento e projeto de dutos muitas decisões têm que ser tomadas podendo alterar o projeto original Em geral para o dimensionamento de dutos são utilizadas três técnicas o método de velocidade o método de iguais perdas de carga e a técnica de otimização do sistema de dutos Método da Velocidade para o dimensionamento segundo este método as velocidades do ar das ramificações devem ser especificadas para poder determinar a perda de carga É aconselhável selecionar um tipo de venti lador para satisfazer as perdas de carga máxima no sistema Quanto à veloci dade de ar não há valores recomendáveis pois a velocidade dependerá das limitações do espaço tipos de acondicionamento acústico e dos fatores econômicos Lembrese que velocidades muito altas aumentam as perdas de carga e consequentemente os custos operacionais do ventilador além de aumentarem o ruído Em lugares públicos onde os dutos não tem um sistema acústico robusto as velocidades devem ser da ordem de 5 a 8 m s e nos lugares em que existam ramificações as velocidades razoáveis são de 4 a 6 m s No caso de residências as velocidades devem ser menores que as especificadas acima enquanto para centros industrias elas podem ser maiores Um sistema de dutos é mostrado na Figura 29 Figura 29 Sistema de dutos com múltiplas ramificações e perdas de carga Fonte elaborada pelo autor Considere a Figura 29 que mostra um sistema de dutos com múltiplas ramificações Uma vez conhecidas as cargas térmicas de resfriamento ou aquecimento a vazão de ar fornecido ou insuflado também é conhecida e consequentemente as velocidades nas saídas 2 3 4 e 5 Se adotarmos o método da velocidade para dimensionamento de dutos as velocidades devem 82 U2 Sistema de condicionamento de ar ser conhecidas em cada saída dos dutos assim como as respectivas perdas de carga para cada trecho Veja que no trecho 14 a queda de pressão que nós chamaremos como perda de carga é de 60 Pa enquanto no trecho 12 a perda de carga é de 20 Pa Portanto o ventilador escolhido teria que produzir uma pressão de 60 Pa para uma vazão total e com o registro no trecho 14 totalmente aberto enquanto os demais trechos 12 13 e 15 estão parcial mente fechados Com isso a queda de pressão de 60 Pa seria atingida Uma forma de otimizar o projeto diminuindo a perda de carga no trecho 14 seria aumentar as dimensões do duto de alguma parte desse trecho ou também diminuindo as dimensões dos demais trechos de forma que as velocidades se mantenham dentro da faixa estipulada Assimile Lembrese que no método da velocidade para o dimensionamento de dutos para evitar aumento de ruído custos operacionais do ventilador e perdas de carga a velocidade nas ramificações não pode ser muito alta e tem que ser cuidadosamente especificada de acordo com o lugar da instalação do condicionamento de ar Método de iguais perdas de carga uma forma de aplicar esse método consiste em selecionar uma perda de carga total para o sistema e depois dimensionar todos os dutos do projeto Para entender melhor os passos que devem ser seguidos são a Escolher uma perda de carga disponível b Determinar o comprimento equivalente total dos dutos retos e conexões c Encontrar a razão entre a perda de carga e o maior comprimento equivalente do sistema d Com o valor da razão entre a perda de carga e o comprimento equivalente encontrado anteriormente e conhecida a vazão em cada trecho do circuito é possível encontrar os diâmetros dos dutos em todas as seções conforme mostrado na Figura 210 Um gráfico entre a vazão volumétrica e a perda de carga pode ser encontrado no livro de Stoecker e Jones 1985 p119 para chapas metálicas circulares e retas e Finalmente determinar as dimensões de todos os trechos a fim de que a perda de carga total seja dissipada mantendo sempre os valores de velocidade dentro dos aconselhados evitando ruídos Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 83 Figura 210 Perda de carga em dutos metálicos Fonte Stoecker e Jones 1985 p119 Imagine que na Figura 29 o circuito de comprimento equivalente máximo é o trecho 13 As dimensões desse trecho podem ser especificadas no passo d enquanto a pressão no trecho 12 tem que ser calculada para depois o tamanho ser determinado Vamos lembrar que a perda de carga para gases ou líquidos em dutos é dada por 2 2 L V p f D r D Em que f é o fator de atrito determinado do gráfico de Moody STOECKER JONES 1985 p116 L é o comprimento equivalente m V a velocidade do ar m s D o diâmetro interno do duto m e r a densidade do ar 3 kg m Dados de densidade e viscosidade podem ser encontrados no livro de Stoecker e Jones 1985 p117 O diâmetro equivalente para um duto retangular está definido pela seguinte equação 84 U2 Sistema de condicionamento de ar Na qual a e b são a altura e o comprimento da seção transversal do duto retangular respectivamente 0625 025 130 eq a b D a b Exemplificando Determine a perda de carga por metro de comprimento de um duto retangular sabendo que a altura e comprimento da seção transversal do duto são de 020 m e 050 m respectivamente Assuma que a vazão volumétrica de ar no duto é 10 3 m s Solução Sabemos que a 02 m e b 05 m O diâmetro equivalente do duto será 0625 0625 025 025 02 05 130 130 0337 02 05 eq a b D m a b Temos que a Figura 210 mostra a perda de carga em dutos versus a vazão volumétrica de ar para diferentes diâmetros de dutos Para determinar a perda de carga fixamos na Figura 210 o valor aproxi mado do diâmetro do duto 0337 Deq m nas curvas de diâmetro e interceptamos esse valor com a vazão volumétrica de 1 3 m s reportado no eixo da ordenada Logo prolongamos esse ponto no eixo da abcissa e determinamos o valor da perda de carga por metro de comprimento do duto sendo igual a aproximadamente 35 Pa m Otimização de sistemas de dutos a otimização de um sistema de dutos tem a finalidade de minimizar os custos Lembrese de que o custo total para um sistema de dutos é a soma dos valores do total de dutos utilizados do seu isolamento térmico e acústico da sua instalação do espaço físico ocupado e da energia necessária utilizada pelo ventilador O custo total de um sistema de dutos é a soma dos custos iniciais e dos custos de operação Um exemplo de um procedimento de otimização seria selecionar um diâmetro de duto de tal forma que minimize os custos de operação e os custos iniciais incluindo o custo do ventilador Ventiladores centrífugos distribuição do ar em recintos Agora vamos falar um pouco sobre os ventiladores centrífugos De acordo com o a Figura 211 o ar entra ao longo do seu eixo e se dirige para as Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 85 pás na direção radial Após passar pela carcaça em forma de voluta caracol o ar sai do ventilador Se o ar entra por um ou pelos dois lados denomi namos o ventilador de entrada simples ou de entrada dupla respectivamente Geralmente o ar é soprado horizontalmente Figura 211 Ventilador centrífugo Fonte elaborada pelo autor Em ventiladores centrífugos quatro tipos de pás são as mais comuns sendo as radiais as curvas voltadas para a frente as curvas voltadas para trás e as tipo aerofólio Para sistemas de condicionamento de ar de baixa pressão são usadas as pás curvas voltadas para frente Já as pás curvas voltadas para trás e as tipo aerofólio são usadas para sistemas de pressão ou vazão altas pois necessitam de alta eficiência nestas aplicações Existem curvas pressãovazão para diversas rotações para ventiladores com pás curvas voltadas para frente Um exemplo dessas curvas está apresen tado na Figura 212 Fonte Stoecker e Jones 1985 p134 Figura 212 Características de desempenho de um ventilador centrífugo de pás curvas voltadas para frente com diâmetro de roda e largura iguais a 270 mm e dimensões de saída de 0517 m por 0289 m 86 U2 Sistema de condicionamento de ar Como podemos observar há uma diminuição da pressão a baixas vazões que se deve à formação de vórtices nos canais entre as pás As curvas de potência também são mostradas na Figura 212 A potência idealmente requerida tem dois componentes aquele que precisa elevar a pressão e aquele que precisa fornecer a energia cinética ajustando o ar em movimento Dessa forma a potência ideal requerida para elevar a pressão do ar é dada por 2 1 Potência paraelevaçãoda pressão Q p p W Em que Q é a vazão volumétrica 3 m s e 2 1 p p é a elevação da pressão Pa A potência requerida para fornecer a energia cinética do ar é igual a mV2 2 e com isso a potência ideal será 2 2 1 2 ideal mV Potência Q p p W æ ö ç ç ç çè ø Finalmente a relação entre a potência ideal e a potência real resulta na eficiência do ventilador potênciaideal potênciareal h Até agora estudamos o equipamento que circula o ar do recinto condi cionado de volta ao equipamento de condicionamento que deste volta ao recinto No entanto a distribuição adequada do ar no interior do recinto é de fundamental importância no projeto e deve obedecer às seguintes exigências a A vazão e a diferença de temperatura entre o ar fornecido e o ar de retorno devem compensar a troca de calor que ocorre no espaço b Principalmente quando o ar fornecido for frio a velocidade do ar das áreas ocupadas do recinto abaixo da cabeça das pessoas não deve ser maior que 025 m s c Para uniformizar os gradientes de temperatura num recinto tais como ar quente no teto ou ar frio no piso é necessário haver algum tipo de movimento do ar no recinto Isso é observado em situações de aquecimento Para que essas exigências sejam cumpridas o projetista precisa escolher a localização e o tipo das bocas para o fornecimento de ar e também a localização das grelhas de retorno É claro que um programa de computador complexo que levasse em conta as leis fundamentais da continuidade da conservação de energia e da transferência de quantidade de movimento determinaria precisamente a distribuição da velocidade e temperatura do Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 87 recinto Mas se levar em consideração em seu projeto a distribuição da velocidade na entrada e no retorno de ar o comportamento de um jato livre a deflexão e os efeitos de empuxo devido aos gradientes de temperatura um projetista pode obter bons resultados As velocidades de ar mais altas na vizinhança de uma grade de ar de retorno estão na face da grade as velocidades caem muito rapidamente quando se afastam da grade O efeito das velocidades controladas pelas grelhas de ar de retorno está em uma região tão confinada que a localização e o tipo de grelha de ar de retorno não são cruciais para se obter uma boa distribuição de ar mas as velocidades da face devem ser baixas o suficiente para evitar o ruído excessivo do ar A localização da grelha no chão no flanco superior etc tem uma ligeira influência no movimento global do ar no recinto mas novamente é pequena Graças à flutuabilidade um fluxo de ar que esteja mais frio que o ar no recinto cairá como mostrado na Figura 213 a e uma corrente quente subirá Figura 213 Distribuição de ar a queda do ar frio b desvio do ar ao encostar num obstáculo Fonte elaborada pelo autor A situação a ser evitada é a descarga de ar frio em um recinto onde a flutuação fará com que ela caia e atinja o nível do ocupante Quando uma corrente de ar atinge uma superfície sólida como um obstáculo como na Figura 213 b ela desvia Assim um fluxo de ar dirigido contra uma parede ou viga de concreto no teto pode desviar para os ocupantes antes que o fluxo esteja devidamente difundido Tubulações de Água e de Fluido Refrigerante Aquecedores de Água O ar a água e os fluidos refrigerantes são os meios de transporte de energia mais comuns em sistemas de refrigeração e de ar condicionado Já vimos os que utilizam o ar como transporte de energia e a partir de agora Saiba mais Você pode encontrar mais informações sobre ventiladores no capítulo 14 tópico Ventiladores e Ventilação Mecânica do livro MILLER R MILLER M R ArCondicionado e Refrigeração 2ª Ed Rio de Janeiro LTC 2014 88 U2 Sistema de condicionamento de ar vamos estudar as tubulações para água e fluido refrigerante Os requisitos de um sistema de distribuição de água são que ele forneça a vazão necessária a todos os trocadores de calor que seja seguro e que o seu custo de ciclo de vida incluindo custos iniciais e operacionais seja atrativo Na seleção de tamanhos de tubos de refrigerante existem algumas recomendações padrão que são fortemente influenciadas pela queda de pressão do refrigerante Alguma queda de pressão é esperada mas o tamanho do tubo deve garantir que não será excessiva o que resultaria em alto custo operacional As vantagens da distribuição de água sobre a distribuição de ar são 1 que o tamanho da fonte de calor é menor 2 que um espaço menor seja exigido pelos tubos de água comparado com os dutos de ar e 3 que uma temperatura mais alta da água em relação a do ar seja mais prática no aquecimento já que os tubos que são pequenos são mais fáceis de isolar que os dutos Os pontos fortes e fracos dos dois meios de transporte geralmente se resolvem com a seguinte escolha do sistema Pequenas plantas como residenciais e comerciais pequenas usam ar em todo o sistema e não água As distâncias em que o calor deve ser transferido são curtas e a ordem de grandeza das capacidades não resulta em tamanhos excessivos de fontes de calor e de dutos Grandes sistemas de ar condicionado por outro lado usam distribuição de água quente e gelada Fontes de calor a combustível ou elétricas para aquecer o ar diretamente geralmente não estão disponíveis em tamanhos grandes A água quente ou gelada pode ser canalizada direta mente para serpentinas no espaço condicionado outro arranjo popular é canalizar água para as serpentinas de aquecimento e resfriamento de ar cada um servindo um andar ou uma seção da construção A combustão de gás natural carvão petróleo etc e o aquecimento por resistência elétrica são as principais fontes de energia para o aquecimento de água em sistemas hidrônicos Os aquecedores de água a combustível são geralmente construídos em aço sob rígidos códigos de segurança Uma maneira de classificar os aquecedores é de acordo com a pressão de operação e temperatura da água admissível O grupo de pressão mais baixa fornece água a uma temperatura próxima de 100C e assim a pressão é atmosférica ou ligeiramente acima Um aquecedor para aquecer água requer uma fonte de energia que pode ser da queima de combustíveis fósseis Assim a eficiência dos aquecedores de água a combustível depende da taxa de energia fornecida para a água dividida pela taxa de energia disponível do combustível que é baseada no calor de combustão supondo que a água nos produtos da combustão está na forma de vapor Uma das perdas dos aquecedores de água é a perda por Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 89 parada que ocorre quando o queimador é desligado mas o ar da sala de equipamentos flui por convecção natural para além das superfícies quentes do aquecedor e transporta o calor para fora da chaminé Muitos aquecedores de água a combustível estão equipados com válvulas dampers que fecham quando o queimador desliga e alguns aquecedores maiores estão equipados com controle de ar que regula o fluxo de ar de combustão para que haja ar suficiente para uma combustão completa mas não o suficiente para dissipar o calor no excesso de ar Eficiências típicas de aquecedores de água comer ciais estão na faixa de aproximadamente 80 por cento Algumas vezes escolhemos o tamanho do aquecedor maior que a capaci dade máxima de aquecimento do projeto a fim de ter capacidade em excesso para trazer a temperatura do edifício depois de uma noite ou um fim de semana nos quais o equipamento não foi usado Quando essa capacidade de aquecimento extra for necessária é importante que o sistema de distribuição de tubulação também seja maior que o projeto caso contrário o sistema de distribuição se torna um gargalo na transferência da capacidade extra para o espaço condicionado Características de Bombas Projeto de Sistemas de Distribuição de Água Já vimos que os meios de transporte de energia mais comuns em condi cionamento de ar e refrigeração são o ar água e fluido refrigerante No caso de transporte de líquidos bombas são usadas para promover o seu escoa mento O dado mais importante de uma bomba é funcionalidade dela desen volver uma diferença de pressão a várias vazões e a potência que ela deve ter para um determinado projeto Os catálogos dos fabricantes de bombas mostram a variação da pressão p D com a vazão e a potência necessárias A Figura 214 mostra a característica de uma bomba centrífuga Figura 214 Característica de uma bomba centrífuga Fonte Stoecker e Jones 1985 p156 90 U2 Sistema de condicionamento de ar A potência da bomba é dada por 2 1 P Q p p Considerando a efici ência da bomba a potência real necessária para bombeamento é dada pela seguinte equação 2 1 100 100 Q p p Q p P h h D Exemplificando Qual é a potência de uma bomba centrífuga com uma vazão de 8 L s Solução Usando a Figura 214 para 8 L s o valor de 195 p kPa D e a eficiência é de aproximadamente 74 então 2 3 1000 80 195 1000 21081 100 74100 N m L m Pa J W kPa s L kPa Pa N m J s Q p P W h D Portanto a potência da bomba será de 21 kW Para fazermos um projeto do sistema de distribuição de água em aquece dores de água utilizados em sistemas de condicionamento de ar o desafio está em decidir qual será o diâmetro das tubulações onde ficarão os compo nentes o tipo de bomba e o tamanho do tanque de expansão Temos dois tipos de arranjos básicos da tubulação sendo o de retorno direto e o de retorno reverso como mostra a Figura 215 Figura 215 Distribuição de água a arranjo direto b arranjo reverso Fonte elaborada pelo autor No retorno direto a diferença de pressão no trocador de calor A é maior que no trocador D ocasionando uma variação da vazão e funcionamento instável do sistema A desvantagem para o arranjo de retorno reverso é que é usado um comprimento maior de tubo quando comparado ao de retorno direto Porém a variação de pressão é uniforme em todos os trocadores Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 91 Reflita Para um sistema de distribuição de água ter uma diferença de pressão uniforme na saída dos trocadores de calor como visto na Figura 215 b poderia ser usado um sistema de distribuição de água em série Outro ponto importante é a sequência de colocação dos outros compo nentes como aquecedor tanque de expansão e bomba Geralmente a sequência usada é aquecedor tanque de expansão e bomba Quando fazemos o bombeamento de água quente temos que tomar cuidado para não ocorrer cavitação na bomba devido à vaporização do líquido em regiões onde se têm baixas pressões Para contornar esse problema devemos manter a pressão de entrada da bomba em um valor que seja superior à da pressão de saturação da água que está sendo transportada Nos catálogos dos fabricantes de bombas estão indicados estes valores como NPSH net positive suction head Sem medo de errar Vamos voltar ao início do problema relembre que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de projetos de condicionamento e refrigeração que tem um cliente a quem realizaram um projeto de condicionamento de ar para a fábrica de peças automotivas Desta vez o projeto de distribuição de ar e dimensionamento de dutos para um conjunto de salas de trabalho conforme mostrado na Figura 28 deverá ser elaborado Figura 28 Sistema de distribuição de ar Fonte elaborada pelo autor Para esse projeto seu líder pede para você determinar qual será o diâmetro de saída dos dutos onde estarão acoplados os difusores em cada ambiente assim como a potência e eficiência do ventilador para 20 rotações 92 U2 Sistema de condicionamento de ar por segundo Por último você precisa indicar quais exigências deverão ser cumpridas para a distribuição de ar nas salas Você conta com as seguintes informações as dimensões do duto de saída do ventilador são de 0517 m por 0289 m e a densidade do ar de 12 3 kg m a perda de carga no duto horizontal de 20m é de 2 Pa m e o comprimento equivalente de cada cotovelo é de 1 m Para começar a vazão de ar que nas salas já são conhecidas como mostra a Figura 28 Vamos começar pelo ventilador determinando primeiramente qual será a sua potência A Figura 212 é mostrada a continuação Figura 212 Características de desempenho de um ventilador centrífugo de pás curvas voltadas para frente com diâmetro de roda e largura iguais a 270 mm As dimensões de saída são de 0517 por 0289 m Fonte Stoecker e Jones 1985 p134 Observando a Figura 212 para um ventilador centrífugo fornecendo uma vazão de ar de 13 3 m s e uma velocidade de rotação do ventilador de 20 r s a potência real linha tracejada é de 09 kW 900 W e a elevação da pressão do ar na saída do ventilador será aproximadamente de 600 Pa A potência para elevação da pressão será 2 3 2 1 13 600 7800 N m m J W Potência paraelevaçãoda pressão Q p p Pa W s Pa N m J s æ ö ç ç ç ç è ø Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 93 Para determinar a potência para elevar a energia cinética do ar calcu lamos a velocidade do ar e a vazão mássica A área de saída do venti lador é 2 0517 0289 0149 A m m m Então a velocidade do ar será 3 2 13 0149 872 v v A m s m m s e a vazão mássica pode ser calculada a partir da densidade do ar então 3 3 12 13 156 kg m kg m v s m s r æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç è øè ø A potência ideal da bomba e a eficiência serão 2 2 2 1 1 7800 156 872 8393 2 2 8393 093 93 9000 ideal mV kg m J W Potência Q p p W W s s N m J s Potencia ideal Potencia real h æ ö æ öæ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è øè ø è ø Portanto a potência do ventilador e a eficiência serão de 8393 W e 93 respectivamente Usando o método de iguais perdas de carga podemos determinar o diâmetro do duto Determinando a perda de pressão no trecho mais comprido de 20 m temse 20 2 40 p m Pa m Pa D A Figura 210 mostra a variação da vazão volumétrica com a perda de carga e diâmetro do duto Figura 210 Perda de carga em dutos metálicos Fonte Stoecker e Jones 1985 p119 94 U2 Sistema de condicionamento de ar O próximo passo é determinar a perda de carga em cada sala depois com a vazão de ar conhecida em cada sala e usando a Figura 210 determinamos o diâmetro do duto Sala A 40 35 1 2 62 p L Pa m D com a vazão 02 3 m s o diâmetro 017 DA m Sala B 40 4 100 p L Pa m D com a vazão 02 3 m s o diâmetro 0155 DB m Sala C 40 25 1 3 62 p L Pa m D com a vazão 02 3 m s o diâmetro 017 DC m Sala D 40 25 1 6 42 p L Pa m D com a vazão 025 3 m s o diâmetro 020 DD m Sala E 40 3 133 p L Pa m D com a vazão 025 3 m s o diâmetro 015 DE m Sala F 20 p L Pa m D com a vazão 020 3 m s o diâmetro 021 DF m Portanto estes são os diâmetros para cada duto a fim de utilizar a pressão disponível do ventilador sem a necessidade de utilizar registros ou válvulas Para uma distribuição do ar nas salas você deve indicar que a vazão entre o ar fornecido na sala e o ar de retorno devem compensar a troca térmica realizada na sala para manter o conforto térmico Além disso lembrese que a velocidade na sala não deve passar de 025 m s sobretudo quando o ar for frio e também devese considerar que para uniformizar o gradiente de temperatura no ambiente da sala é recomendado que exista algum tipo de movimento do ar no interior Você pode ver que o conhecimento teórico e demais assuntos abordados nesta seção foram de vital importância para chegar no resultado e solução do problema proposto Projeto de aquecimento e distribuição de água Descrição da situaçãoproblema Imagine que você é um engenheiro que tem uma empresa consultora de condicionamento de ar e refrigeração Um cliente seu quer instalar um sistema de aquecimento para três auditórios e sugere que seja utilizado um Avançando na prática Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 95 sistema com água como fluido de aquecimento Ele precisa que você deter mine algumas informações Qual o custo de energia consumida pela bomba para o seu cliente Como deverá ser o projeto de distribuição de água Lembrese que você precisa calcular qual será a potência da bomba sabendo que a vazão de água de aquecimento deverá ser de 40 L s Ainda a fim de evitar variação na pressão nas saídas dos trocadores de calor você precisa pensar num sistema de distribuição de água no qual a variação de pressão seja uniforme Por fim qual a sequência de instalação dos componentes para o sistema de distribuição de água Resolução da situaçãoproblema Você precisa determinar a potência da bomba para distribuição da água que deverá ser usada para aquecer o ar Lembrese que água quente passa pela serpentina de aquecimento e do lado externo passa o ar realizando a troca de calor Você sabe que a vazão de água para o sistema de aquecimento é de 40 L s 0004 3 m s A Figura 214 mostra a eficiência de uma bomba centrífuga para diferentes vazões volumétricas de água Figura 214 Característica de uma bomba centrífuga Fonte Stoecker e Jones 1985 p156 Observando a Figura 214 para a vazão de 40 L s a perda de carga p D é aproximadamente de 280 kPa e a eficiência estimada da bomba é de 65 A potência da bomba será 2 3 1000 0004 280 17231 172 100 65100 N m m Pa J W kPa s kPa Pa N m J s Q p P W kW h æ ö ç ç ç ç è ø D 96 U2 Sistema de condicionamento de ar A potência da bomba para escoar 40 L s deverá ser de 172 kW Para você escolher o sistema de distribuição de água em que a variação de pressão na saída dos trocadores seja uniforme e o funcionamento seja estável o sistema de retorno reverso seria o mais indicado A Figura 216 mostra a distribuição de água e a sequência de instalação dos componentes Figura 216 Sequência de instalação para um sistema de distribuição de água Fonte elaborada pelo autor A sequência dos componentes do sistema de distribuição de água deve ser o aquecedor seguido do tanque de expansão que serve para manter estável a pressão da água quente e evitar saltos de pressão que podem ocasionar o mal funcionamento do sistema e por último a bomba Se o tanque de expansão é colocado após da bomba a pressão de saída da bomba permanece constante e a pressão de entrada cai o que ocasionaria vaporização da água e consequentemente a cavitação na bomba danificando seus componentes Para concluir podemos dizer que com o adequado uso de gráficos e equações baseados na teoria você poderá resolver problemas de sistemas de aqueci mento usando água 1 O condicionamento de ar no recinto deve ser projetado de tal forma que o ar que circula no seu interior seja bem distribuído a fim de evitar áreas com temperaturas variadas Portanto a vazão do ar deve ser cuidadosamente determinada para satis fazer as exigências do projeto Num projeto de condicionamento de ar a distribuição do ar no interior do recinto é de fundamental importância e deve obedecer às seguintes exigências apresentadas nas afirmativas a seguir I A vazão de ar e diferença de temperatura entre o ar fornecido e ar de retorno devem compensar a troca de calor que ocorre no espaço II Quando o ar fornecido é frio a velocidade do ar das áreas ocupadas do recinto abaixo das cabeças das pessoas deve ser maior que 025 m s Faça valer a pena Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 97 Analisando as exigências citadas no textobase é correto o que se afirma em a As afirmativas I e II são corretas apenas b As afirmativas I II e III são corretas c As afirmativas II e III são corretas apenas d As afirmativas I e III são corretas apenas e A afirmativa II é correta apenas 2 Os ventiladores centrífugos têm diferentes aplicações sendo uma delas em sistemas de condicionamento de ar A vazão de ar que deve ser transferido dependerá da potência do ventilador e das características que ele foi projetado assim como da área de saída do ar do ventilador Um ventilador centrífugo com medidas de 0517 m por 0289 m de saída de ar é usado num sistema de condicionamento de ar para transportar ar numa vazão de 175 3 m s operando a 20 rotações s e densidade do ar de 12 3 kg m A eficiência do ventilador pode ser determinada também com ajuda da seguinte figura Figura Características de desempenho do ventilador centrífugo de pás curvas voltadas para frente III Para uniformizar os gradientes de temperatura deve haver algum movimento do ar no recinto como ar quente no forro e ar frio no piso Fonte Stoecker e Jones 2018 p134 Considerando os dados do ventilador centrífugo apresentado no textobase qual deverá ser a eficiência do ventilador a 40 b 45 c 53 d 58 e 63 98 U2 Sistema de condicionamento de ar 3 Os sistemas de condicionamento de ar requerem a instalação de dutos de material específico Essas instalações apresentam perdas de carga devido às conexões tamanho de dutos ramificações registros entre outros que ocasionam a diminuição da pressão na saída do duto podendo levar à instabilidade do sistema Por isso o dimensionamento de dutos tem que ser bem projetado Um sistema de dutos com três ramais pode ser visto na Figura 1 com comprimentos equivalentes de duto reto 6 m à montante acima e 3 m de cotovelo com perda de carga na seção reta de 10 m de 5 Pa m e perda de carga desprezível na seção reta da ramificação Além disso o diâmetro do duto pode ser obtido a partir da perda de carga e vazão volumétrica como vista na Figura 2 Figura 1 Sistema de dutos Fonte elaborada pelo autor Figura 2 Perda de carga em tubos Fonte Stoecker e Jones 1985 p119 Seção 22 Dutos ventiladores tubulações e bombas 99 Considerando a figura apresentada no textobase qual será o diâmetro na ramificação a 015 m b 029 m c 032 m d 042 m e 052 m 100 U2 Sistema de condicionamento de ar Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar Diálogo aberto Caro aluno quando falamos em sistemas de condicionamento de ar pensamos em um ambiente agradável que oferece conforto às pessoas seja um equipamento para resfriamento ou aquecimento do ar Nos sistemas de condicionamento de ar existem os resfriadores e desumidifi cadores de ar além de um sistema de controle de temperatura e umidade que verifica e controla as condições estabelecidas para o ar no ambiente a ser condicionado Lugares com grande movimento de pessoas como hospitais e shopping centers têm centrais de operação nas quais o ar é resfriado e desumidificado e depois enviado por dutos até os ambientes desejados Por sua vez todo esse condicionamento de ar tem controla dores de temperatura e umidade que atuam modificando o fluxo de ar na entrada do sistema ou a temperatura no resfriador a fim de garantir o conforto térmico Com o intuito de entender melhor e aplicar de forma prática o funda mento de um sistema de resfriamento e desumidificação assim como um sistema de controle vamos imaginar que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de projetos de refrigeração e condicionamento de ar A empresa em que você trabalha foi contratada por uma fábrica de peças de automóveis para a instalação de um sistema de condicio namento Para esse projeto devese escolher um tipo de resfriador e desumidificador de ar para um ambiente de trabalho dos funcioná rios da fábrica determinar a área da serpentina para a troca de calor e realizar o projeto de controle do sistema de condicionamento de ar usando um registro de entrada de ar na serpentina de resfriamento a fim de obter a desumidificação necessária para garantir o conforto térmico especificando a ação do termostato e do umidostato se a válvula for normalmente aberta NA ou normalmente fechada NF O seu líder pede para você assumir esse trabalho de cálculos e a entrega dos resultados A Figura 217 a mostra dados das temperaturas de bulbo seco TBS e de bulbo úmido TBU do ar na entrada e saída e as temperaturas de entrada e saída de água assim como a temperatura do recinto a ser condicionado Já a Figura 217 b mostra a distribuição de temperaturas no tubo da serpentina Seção 23 Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 101 Figura 217 a Sistema de condicionamento de ar b distribuição de temperatura e entalpias Fonte elaborada pelo autor Para elaboração dos cálculos você pode considerar que a relação de áreas externa e interna é de 13 o coeficiente de transferência de calor por convecção é de 60 2 W m K a condutância térmica da agua é de 3000 2 W m K e o calor específico da mistura de ar é de 102 kJ kgK Será que a umidificação externa da serpentina pode influenciar na trans ferência de calor Para o projeto de controle de um sistema de condiciona mento de ar na falta de um umidostato a umidade poderia ser controlada pelo termostato Os tópicos que você precisará consultar para a resolução do problema proposto são tipos de resfriadores e desumidificadores de ar transferência de calor e massa controle pneumático elétrico e eletrônico e projeto de um sistema de controle Na vida profissional o engenheiro precisa dos conheci mentos e abordagem de equações para resolver um problema assim convi damos você à leitura deste material em que encontrará informações úteis para vida prática Não pode faltar Tipos de resfriadores e desumidificadores de ar Como você já sabe a refrigeração ou o condicionamento de ar tem a finalidade de reduzir a temperatura Essa redução de temperatura está 102 U2 Sistema de condicionamento de ar associada à desumidificação do ar processo que acontece quando um trocador de calor contendo um líquido a baixa temperatura troca calor com o ar ambiente causando a condensação da água Em sistemas de refrigeração a baixas temperaturas muitas vezes a água é congelada na parte externa da tubulação do trocador de calor causando um efeito indesejável Veja que para um sistema de conforto o efeito de desumidificação é desejável sempre que a umidade deva ser controlada Os trocadores de calor operam com fluidos como água ou fluido refrige rante que escoam no interior dos tubos a baixas temperaturas Para o resfria mento do ar a maior parte dos trocadores de calor são aletados transversal mente na parte externa dos tubos a fim de aumentar a área de transferência de calor com o ar Vale ressaltar que o coeficiente de transferência de calor por convecção do lado aletado é baixo quando comparado ao coeficiente de transferência de calor na parte interna do tubo por onde a água ou o refri gerante é escoado Um trocador de calor ou serpentina de resfriamento é mostrado na Figura 218 Figura 218 Serpentina de resfriamento para desumidificação do ar Fonte elaborada pelo autor Como visto na Figura 218 temos que o ar escoa do lado externo passando pelas aletas enquanto no interior dos tubos a água ou o refrige rante é escoado Se o refrigerante evapora no interior dos tubos a serpentina é conhecida como serpentina de expansão direta As características de uma serpentina de resfriamento de ar são Área frontal do resfriador corresponde à área da seção transversal por onde escoa o ar na entrada do trocador Velocidade frontal do ar velocidade do ar na entrada determinada a partir da vazão volumétrica dividida pela área frontal Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 103 Área da superfície do resfriador corresponde à área de transfe rência de calor aletas e tubos Número de fileiras de tubos é o número de tubos distribuídos na serpentina Transferência de Calor e Massa Para uma serpentina Figura 219 a transferência de calor e massa num resfriador e desumidificador é dada por três processos de transportes trans porte por convecção do ar para a superfície do tubo úmido condução através do filme de água e metal e convecção no refrigerante ou água gelada Figura 219 Transporte de massa numa serpentina Fonte elaborada pelo autor Para uma seção de área da serpentina a taxa de transferência de calor é dada por duas equações Para a corrente de ar úmido c a i pm h dA dq h h c Para a corrente de fluido refrigerante ou água gelada r i i r dq h dA t t Em que q é a taxa de transferência de calor W e i A A são as áreas externa e interna 2 m respectivamente ch é o coeficiente de transferência de calor por convecção W m2 K cpm é o calor específico da mistura de ar W kg K i e r t t são as temperaturas da superfície úmida e do refrige rante ou água gelada C respectivamente e rh é a condutância térmica que considera a resistência térmica da superfície molhada nos tubos e aletas e a camada limite do escoamento do refrigerante ou água gelada no interior dos tubos W m2 K Para determinar a área da serpentina da equação do ar úmido a entalpia do ar ah kJ kg e a entalpia do ar saturado na temperatura da superfície úmida ih kJ kg devem ser a média aritmética das entalpias nos pontos 1 e 2 104 U2 Sistema de condicionamento de ar Vale ressaltar que o fluxo de calor numa determinada área também pode ser expresso por 1 2 a a q m h h Igualando as duas equações acima temse i r c a i pm r i t t h A R h h c h A kg K kJ O conhecimento da temperatura da superfície úmida é importante para a análise do comportamento do resfriador Se na última equação rt ah e R são conhecidos as variáveis it e ih precisariam ser determinadas No entanto a entalpia do ar saturado ih pode ser conhecida sabendo qual a temperatura da superfície úmida it Para o ar úmido uma tabela de propriedades termodinâmicas do ar saturado à pressão atmosférica tal como a tabela disponível em Stoecker e Jones 1985 p 457 pode ser utilizada Uma forma de calcular ih é através da equação cúbica em função de it para o intervalo de 2 a 30C que é 2 3 93625 17861 001135 000098855 i i i i h t t t Substituindo essa última equação na equação anterior temse 2 3 93625 17861 001135 000098855 0 i r a i i i t t h t t t R R Para determinar o valor de it conhecendo rt ah e R podese usar o método de NewtonRaphson ou o método de tentativa e erro Exemplificando Temos um resfriador de ar em que a temperatura da água gelada rt é de 6C e o ar está com uma temperatura de bulbo úmido de 20C Qual será a temperatura it e ih se o valor de R for 05 Solução a entalpia do ar na temperatura de bulbo úmido de 20C usando a tabela disponível em Moran et al 2018 p 854 é 579 ah kJ kg Usando a equação 2 3 93625 17861 001135 000098855 0 i r a i i i t t h t t t R R Temos que 2 3 6 579 93625 17861 001135 000098855 0 05 05 i i i i t t t t Portanto o valor de it é encontrado por tentativa e erro ou pelo método de NewtonRaphson A solução de it é igual a 14 55C Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 105 Remoção de umidade Para determinar a taxa de remoção de umidade a área e a temperatura da superfície molhada precisam ser conhecidas Assim a taxa de remoção de umidade é dada pela seguinte equação 1 2 Taxa de remoção de água m w w kg s Também podemos expressar a taxa de remoção de água para o incre mento de área entre o ponto 1 e 2 da Figura 219 usando a média aritmética das umidades entre 1 e 2 1 2 1 2 1 2 Taxa de remoção de água 2 2 i i c pm w w h A w w kg s c æ ö ç ç ç çè ø Em que m é a vazão mássica do ar em kg s 1 2 w e w são a umidade específica do ar nos pontos 1 e 2 respectivamente 1 2 e i i w w são a umidade específica do ar saturado na temperatura da superfície molhada do metal do tubo nos pontos 1 e 2 respectivamente Igualando as duas expressões temse a seguinte equação 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 i i c pm w w h A w w m w w c æ ö ç ç ç çè ø Assimile Na saída da serpentina a temperatura do bulbo úmido do ar frio está próxima do estado de saturação Portanto a entalpia é diretamente determinada pelo diagrama psicrométrico ou pela tabela de proprie dades termodinâmicas do ar saturado fornecida em Stoecker e Jones 1985 p 457 Comportamento da Serpentina É preciso saber que a superfície da serpentina estará molhada sempre que a temperatura da superfície for menor que a temperatura do ponto de orvalho do ar na entrada No entanto algumas vezes só uma porção da superfície que se encontra próxima da entrada do ar pode estar seca A condensação só acontece quando a temperatura da superfície da serpentina é igual à temperatura do ponto de orvalho do ar na entrada Frequentemente essas análises feitas até aqui sobre comportamento das serpentinas não são um método de rotina utilizado por projetistas na hora de escolher uma serpentina no entanto é necessário que o engenheiro saiba e entenda na hora de avaliação o que acontece com a serpentina no processo de resfriamento e desumidificação do ar sobretudo quando 106 U2 Sistema de condicionamento de ar catálogos dos fabricantes não são disponíveis Geralmente os fabricantes mostram o comportamento das serpentinas na forma de gráficos ou de tabela de dados que são maneiras práticas e rápidas para escolher uma serpentina para uma determinada aplicação Algumas informações sobre o comportamento de um tipo de serpentina do catálogo de um fabricante são mostradas na Tabela 21 Uma característica de uma serpentina é que cada fileira sucessiva de tubos remove menos calor que a sua antecessora Isso pode ser verificado pela diminuição da entalpia do ar em cada fileira de tubos Outra caracterís tica é que um incremento na velocidade frontal do ar ocasiona o aumento da temperatura de bulbo seco e úmido do ar na saída da serpentina Controle Pneumático elétrico eletrônico e por computador em condicionadores de Ar Um sistema de controle para uma instalação de condicionamento de ar deve cumprir três funções básicas a Regular o sistema para que as condições de conforto sejam mantidas no espaço ocupado b Operar o equipamento de forma eficiente c Proteger o equipamento e o edifício contra danos e proteger os ocupantes em relação a qualquer tipo de acidente Agora pensando em funcionamento o sistema de controle deve atuar no sentido de reduzir a capacidade e nunca aumentála Seus componentes principais são mostrados na Figura 220 Temperatura do refrigerante 17ºC 20 m s velocidade frontal 30 m s velocidade frontal Nro fileiras TBS final C TBU final C Nro fileiras TBS final C TBU final C 2 170 162 2 186 173 3 147 141 3 163 156 4 126 123 4 146 140 6 98 96 6 117 114 8 79 78 8 97 95 Fonte Stoecker e Jones 1985 p 176 Tabela 21 Comportamento de uma serpentina de resfriamento de expansão direta usando refrigerante 22 entrada de ar na serpentina com temperatura de bulbo seco TBS de 30C e temperatura de bulbo úmido TBU de 217C Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 107 Figura 220 Sistemas de controle e seus componentes básicos Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 Sabemos que existem vários tipos de sensores atuadores e outros equipa mentos pneumáticos elétricos e eletrônicos O tipo padrão utilizado em insta lações de condicionamento de ar de grande porte foi e ainda é o pneumático no qual os sinais das variáveis físicas são transformados em pressão de ar e transmitidos acionando os registros dampers por meio do operador as válvulas e outros atuadores A distinção entre sistemas elétricos e eletrônicos é um pouco arbitrária uma vez que todos os sistemas elétricos são verdadei ramente eletrônicos Mas eletrônico geralmente se refere à incorporação de dispositivos Os sistemas elétricos competem com os pneumáticos e predo minam em condicionamento de ar em pequenos edifícios As razões pelas quais os sistemas pneumáticos ainda têm prevalecido em grandes sistemas são 1 o sistema pneumático fornece controle modular 2 são mais fáceis para a maioria dos profissionais de prestação de serviços facilities entender manter e reparar e 3 a pressão de ar operando através de um cilindro pistão ainda é o meio mais prático de fornecer a energia necessária para operar válvulas e registros Não há exigência de que um sistema seja todo pneumático ou todo elétrico pode até ser híbrido e em tal combinação os sensores e transmissão dos sinais de controle podem ser elétricos ou eletrônicos enquanto a força motriz final no atuador for pneumática Aqui enfatizaremos o controle pneumático porque as funções fornecidas pelos elementos pneumáticos são basicamente as mesmas que as fornecidas pelos elétricos ou eletrônicos Vários são os componentes disponíveis para o projetista utilizar em seu projeto de controle como válvulas de líquidos válvulas para controle de ar registros para dificultar a passagem de ar regula dores sensores termostatos umidostatos etc Os sistemas controlados por computador são os mais utilizados em edifícios ou complexos de vários edifícios No computador é programado o sistema de controle para a tomada de decisões e para executar cálculos Mesmo em sistemas controlados por computador o acionamento do registro ou válvula pode ser pneumático 108 U2 Sistema de condicionamento de ar O que temos em comum em todos os sistemas pneumáticos é o sistema de fornecimento de ar composto pelo compressor tanque de armazena mento e filtro de ar Em algumas instalações nas quais as linhas de ar estão sujeitas a baixas temperaturas um pósresfriador condensa e remove grande parte da água no ar para não congelar nas linhas de distribuição Em alguns casos um separador de óleo é aconselhável particularmente se o compressor descarregar óleo no ar A válvula utilizada para abertura ou fechamento do escoamento do refri gerante ou água quente na serpentina tem uma vital importância No caso de aquecimento de um ambiente a válvula deverá ser aberta até alcançar a temperatura programada no ambiente Vale ressaltar que o fechamento e abertura da válvula deverão ser controlados pela temperatura do termostato O termostato é um instrumento utilizado para controlar a temperatura para que ela não varie Existem termostatos de ação direta e inversa O termos tato de ação direta basicamente funciona com um sistema de pressão interna de ar com abertura e fechamento da entrada de ar na câmara do termostato Assim esse termostato de ação direta proporcionará um aumento da tempe ratura quando houver um aumento da pressão de controle No entanto o termostato de ação inversa é aquele em que há um aumento de temperatura quando a pressão de controle diminui Projeto à prova de falhas fail safe A perda de pressão pelo fornecimento de ar é uma situação que deve ser antecipada no projeto do sistema de controle Em climas moderados e frios o status que vários elementos devem reverter em caso de perda de pressão pelo fornecimento de ar é a seguinte Serpentinas de aquecimento válvulas normalmente abertas Serpentinas de resfriamento não é decisivo as válvulas normalmente podem estar abertas ou fechadas Umidificação válvulas normalmente fechadas Entrada de ar exterior e ar de exaustão Registros normalmente fechados Saiba mais Mais informações sobre registros seus tipos etc podem ser encon tradas na seção Tipo de Registros e Grelhas do Capítulo 14 do livro a seguir MILLER R MILLER M R Ar Condicionado e Refrigeração 2 ed Rio de Janeiro LTC 2017 Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 109 Lembrese Um termostato de um recinto regula o registro no duto de fornecimento de ar frio e assim fornece uma vazão de ar variável Você acha que o registro deve estar normalmente aberto ou normalmente fechado e o termostato estará atuando de modo direto ou inverso Por que Projeto de um sistema de controle A partir dos elementos estudados anteriormente é possível fazer o projeto de um sistema de controle no entanto alguns outros dispositivos são necessários tais como o umidostato e termostato principal e secundário Temos que em climas frios o condicionamento de ar de um ambiente causará a diminuição de umidade relativa podendo baixar até 10 Portanto é necessário um sistema de umidificação A umidificação é feita através de um umidostato que é um instrumento que atua sobre o controle de umidade Assim têmse 2 tipos de umidostato o mecânico e o elétrico O umidostato mais utilizado é aquele que introduz vapor na corrente de ar de insuflamento ou fornecimento através do controle de válvula normalmente fechado NF como mostrado na Figura 221 Figura 221 Sistema de um umidostato e umidificador Fonte elaborada pelo autor A válvula de controle de vapor geralmente fica fechada para evitar excesso de umidade quando há variação de pressão de controle Uma outra válvula de vedação é instalada na linha de vapor a qual fica aberta NA quando o ventilador está funcionando Para não existir o problema de atraso de leitura pois o umidostato está localizado no recinto condicionado e não na entrada de ar e nem após o umidificador entrada de vapor é melhor instalar um segundo umidostato na Figura 221 ou seja um umidostato no duto de ar depois do umidificador Assim se por exemplo a umidade desejada no ambiente for 40 o umidostato do ambiente reajusta o umidostato do duto para deste modo manter a umidade em 40 permitindo um controle da umidade do ar insuflado 110 U2 Sistema de condicionamento de ar Os termostatos principal e secundário servem para aplicações nas quais seja necessário mudar o ajuste de controle automaticamente por exemplo a temperatura de ar de um duto quente pode ser programada para ser diminuída quando a temperatura externa aumentar O transmissor escolhido geralmente é de ação direta a fim de que o aumento da temperatura corres ponda a um aumento da pressão que será transmitida ao controlador Agora o reajuste no controlador pode ser de ação direta AD ou ação inversa AI A Figura 222 mostra um controlador com ação principal e secun dária com reajuste no controlador Figura 222 Controlador de um termostato principal e secundário Para melhor avaliar um termostato principal e secundário primeira mente se avalia o transmissor de temperatura que se a pressão aumenta deverá atuar como ação direta No caso do reajuste deverá ser constatado como varia a pressão no transmissor mestre Se existir baixa pressão do transmissor de temperatura ele será um de ação inversa Fonte elaborada pelo autor Sem medo de errar Para começar a desenvolver a resolução de seu problema vamos relem brar que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de refrigeração e condicionamento de ar e o seu líder precisa atender a um cliente de uma fábrica de peças de automóveis com a instalação de um sistema de condiciona mento de ar Seu líder pede para você escolher o tipo de resfriador e desumi dificador de ar calcular a área de transferência de calor da serpentina e fazer o projeto de controle do sistema de condicionamento de ar especificando a ação do termostato e do umidostato e se a válvula de água será normalmente aberta NA ou fechada NF O registro utilizado deverá ser de entrada de ar na serpentina de resfriamento para aumentar a desumidificação A Figura Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 111 217 a mostra as condições de temperatura do ar na entrada e saída da serpentina e as do recinto A relação de áreas externa e interna é 13 o coefi ciente de transferência de calor por convecção é 60 2 W m K a condutância térmica é 3000 2 W m K e o calor específico da mistura de ar é 102 kJ kgK Figura 217 a Sistema de condicionamento de ar b distribuição de temperatura e entalpias Fonte elaborada pelo autor Primeiramente a escolha do tipo do resfriador e desumidificador seria do tipo de tubos aletados na superfície externa do tubo já que esse tipo de trocador de calor é o mais utilizado proporcionando uma maior super fície de contato para a troca de calor com o ar Você sabe que nesse tipo de trocador de calor os tubos estão distribuídos discretamente numa superfície e as placas ou aletas são colocadas perpendicularmente aos tubos Para deter minar a área necessária da serpentina de resfriamento você pode considerar um tubo só ou dividilo ele em várias seções como o existente num trocador de calor de tubos aletados e você deve conhecer a taxa de calor em cada seção da serpentina Vamos considerar o tubo dividido em duas seções como mostra a Figura 217 b Como são conhecidas as temperaturas do ar e da água fria nos pontos 1 e 3 as temperaturas do ar e água gelada no ponto 2 são calculadas com a média das temperaturas nos pontos 1 e 3 Então na carta psicromé trica MORAN et al 2018 p854 é fixado a temperatura de bulbo úmido dos pontos 1 2 e 3 localizadas nas respectivas linhas diagonais da carta psicrométrica que prolongadas para o lado esquerdo fazem a leitura das 112 U2 Sistema de condicionamento de ar respectivas entalpias do ar seco Assim 1 763 ah kJ kg 2 540 ah kJ kg e 3 365 ah kJ kg Os valores de R a temperatura it e entalpia ih nos pontos 1 2 e 3 são calculados com a seguinte equação e os resultados são mostrados na Figura 217 b 2 2 60 02549 02549 102 3000 c pm r i W m K h A kg K kg K R R c h A kJ kJ kJ kgK W m K Þ 2 3 93625 17861 001135 000098855 0 i r a i i i t t h t t t R R 2 3 93625 17861 001135 000098855 i i i i h t t t Analisando o Ponto 1 temos que substituindo o valor de R 1 763 ah kJ kg e 1 11 rt C temperatura de água na saída da serpentina na equação de 1 it acima usando o método de tentativa e erro ou pelo método de Newton Raphson obteremos o valor de 1 177 it C Conhecido 1 it obtemos o valor de 1 500 ih kJ kg Analisando o Ponto 2 temos que o procedimento de cálculo de 2 it e 2 ih é o mesmo feito que para 1 it e 1 ih Assim 2 3 2 2 2 2 2 7 540 93625 17861 001135 000098855 0 1204 02459 02459 i i i i i t t t t t C 2 3 2 2 93625 17861 1204 001135 1204 000098855 1204 3423 i i h h kJ kg Analisando o Ponto 3 temos que seguindo o mesmo método anterior 3 667 it C e 3 2208 ih kJ kg A taxa de fluxo de calor nos trechos 1 2 e 2 3 são calculadas como 1 2 1 2 1 2 2 3 2 3 1 2 20 763 540 44600 20 540 365 35000 a a a a q m h h kg s kJ kg q W q m h h kg s kJ kg q W Þ Þ A área da serpentina para os trechos 1 2 e 2 3 pode ser calculada com a equação c pm a i q h A c h h porém a entalpia do ar ah e entalpia na superfície úmida ih são a média das entalpias entre os pontos 1 e 2 Assim 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 44600 102 329 763 540 500 342 60 2 2 2 2 pm a a i i W kJ kgK q C A m h h h h hc W m K kJ kg æ ö é ù æ ö æ ö ç ç ç ê ú ç ç ç ç ç ç ê ú ç è ø è ø è ø ë û 2 2 3 2 35000 102 348 540 365 3423 2208 60 2 2 W kJ kgK A m W m K kJ kg é ù æ ö æ ö ç ç ê ú ç ç ç ç ê ú è ø è ø ë û Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 113 Portanto a área total da superfície da serpentina será de 2 2 2 329 348 6771 ATotal m m m Finalmente para o projeto do sistema de controle de condicionamento de ar no início da operação o registro de ar de entrada deverá permanecer normalmente aberto assim como a válvula de entrada de água gelada Porém devido à ação do termostato caso a temperatura do ambiente seja maior de 23C a válvula de entrada de água deverá estar normalmente aberta e se a temperatura do ambiente for menor de 23C a válvula deverá estar normal mente fechada Para definirmos a ação do umidostato temos que se a umidade relativa do ambiente estiver maior que 50 o registro de ar deverá ser fechado e se a umidade do ambiente for menor de 50 o registro deverá ser aberto Ainda podemos acrescentar a essa situação o que deveria ser feito se a temperatura e a umidade do ar não pudessem ser mantidas e o controle de temperatura tiver preferência sobre a umidade então o controlador deveria atuar fechando a água gelada quando a temperatura for menor que 23C ou abrindo quando a temperatura for maior que 23C enquanto o registro de ar deve estar fechado quando a temperatura for menor que 23C e aberto quando a temperatura for maior que 23C Desta forma o seu problema foi resolvido Para o desenvolvimento da resolução desse problema você conseguiu utilizar os conceitos e fundamentos apresentados neste material e aprendeu a resolver problemas de serpentinas de resfriamento e desumidificação assim como aplicar um projeto de um sistema de controle Resfriamento de um recinto e escolha da serpentina Avançando na prática Descrição da situaçãoproblema Vamos pensar que você é um engenheiro que tem que realizar o condi cionamento de ar de uma sala de conferências Para isso você precisa determinar algumas informações Qual a área da serpentina Que tipo de resfriador deverá ser utilizado A vazão de ar na entrada deve ser de 22 kg s a temperatura de bulbo seco na entrada é de 32C e de bulbo úmido 20C a água fria na entrada da serpentina é de 7C e na saída 12C Além disso o ar na saída deve ter uma temperatura de bulbo úmido de 13C A razão da 114 U2 Sistema de condicionamento de ar área externa incluindo as aletas com área interna i A A deve ser de 17 O 2 ch é 500 W m K 2 rh é 30 kW m K e o cpm é de 102 kJ kg K Resolução da situaçãoproblema Para solucionar seu problema primeiramente encontramos o valor de R com a seguinte equação 2 2 50 17 02778 102 3000 c pm r i W m K h A R c h A kJ kgK W m K Posteriormente determinamos as entalpias do ar seco a temperatura e a entalpia do ar saturado na superfície úmida da serpentina Para determinar a entalpia do ar seco usamos a carta psicrométrica MORAN et al 2018 p 854 em que fixamos a temperatura de bulbo úmido na respectiva linha diagonal da carta psicrométrica que prolongada para o lado esquerdo faz a leitura da respectiva entalpia do ar seco Assim na entrada no ponto 1 a entalpia do ar seco a 20C é de 1 576 ah kJ kg Assumindo um escoamento em contracorrente o valor da água fria no ponto 1 é 1 12 rt C Substituindo 1 rt 1 ah e R na seguinte equação e resolvendo 1 it por tentativa e erro ou pelo método NewtonRaphson temos 2 3 93625 17861 001135 000098855 0 i r a i i i t t h t t t R R onde 1 1574 it C Para determinar a entalpia do ar saturado na superfície molhada usamos a equação geral 2 3 93625 17861 001135 000098855 i i i i h t t t onde 1 4414 ih kJ kg Na saída o ar tem a temperatura de bulbo úmido de 13Ce então 2 367 ah kJ kg Da mesma forma aplicamos as equações acima para encontrar o valor de 2 2 e i i t h na saída Resolvendo as equações temos que 2 941 it C e 2 280 ih kJ kg O fluxo de calor transferido nesta área é determinado por 1 2 1 2 1 2 22 576 367 4598 então 45980 a a q m h h kg s kJ kg kJ s q W Calculamos a área usando a média da entalpia entre a entrada e saída do ar Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 115 1 2 2 2 45980 102 576 367 4414 280 500 2 2 8465 pm c a i pm c a i W kJ kg K q c h A q h h A c h h h kJ W m K kg A m Þ é ù æ ö æ ö ç ç ê ú ç ç ç ç ê ú è ø è ø ë û Portanto a área da serpentina considerando 1 tubo será de 8465 2 m Como na maior parte dos trocadores de calor são usados os de tubos aletados o tipo recomendado do resfriador será o de tubo aletado na superfície externa dos tubos que aumenta a área de transferência de calor para o ar 1 O funcionamento de um sistema de condicionamento de ar está constituído pela instalação de vários componentes como registros dampers vários tipos de sensores atuadores e outros equipamentos pneumáticos elétricos e eletrônicos Assim para o bom funcionamento de um sistema de condicionamento de ar é necessário um sistema de controle que garanta as condições desejadas no ambiente A instalação de um sistema de condicionamento de ar para um recinto requer um sistema de controle que mantenha a temperatura indicada para o recinto Conside rando a operação de um controlador podese afirmar que ele I Regula o sistema para que as condições de conforto sejam mantidas no espaço ocupado II Opera o equipamento de forma eficiente III Controla a umidade na entrada do ar IV Protege o equipamento e o edifício contra danos e proteger os ocupantes de acidentes Faça valer a pena Analisando a operação de um controlador avalie as afirmativas apresentadas no texto base considerando as funções básicas que um sistema de controle deve cumprir e assinale a alternativa correta a São corretas as afirmativas I e II apenas b São corretas as afirmativas I II e III apenas c São corretas as afirmativas I II III e IV d São corretas as afirmativas II e III apenas e São corretas as afirmativas I II e IV apenas 2 Nos sistemas de condicionamento de ar para diminuir a temperatura de um recinto é utilizado um fluido refrigerante ou água gelada em uma serpentina de resfriamento O ar escoa pela parte externa do tubo causando a condensação da água e a troca térmica com o refrigerante ou água gelada 116 U2 Sistema de condicionamento de ar Num sistema de condicionamento de ar o ar é resfriado em contracorrente através de uma serpentina com água gelada O ar entra numa vazão de 20 kg s com tempe ratura de bulbo seco de 30C e a temperatura de bulbo úmido é de 20C Na saída a temperatura de bulbo úmido do ar é de 15C A temperatura da água na entrada é de 8C e na saída 12C Além disso a temperatura da superfície molhada na saída da serpentina é de 16C e na entrada é de 115C Considere que a área entre os pontos 1 e 2 é de 35 m² o calor específico da mistura do ar é de 102kJ kg K 1020 J kg K e o coeficiente por convecção é de 55 2 W m K Qual é a umidade específica em kg de água por kg de ar seco Assinale a alternativa correta A seguinte Figura mostra o sistema de resfriamento do ar Figura Sistema de resfriamento do ar Fonte elaborada pelo autor Assinale a alternativa correta a 0040 kg de água kg de ar seco b 0045 kg de água kg de ar seco c 0030 kg de água kg de ar seco d 0020 kg de água kg de ar seco e 0010 kg de água kg de ar seco 3 Para conhecer a área superficial de uma serpentina para realizar a transferência de calor entre o ar e o refrigerante ou água gelada é necessário conhecer as temperaturas do ar saturado na superfície úmida da serpentina na entrada e na saída da serpentina Assim essa informação é importante quando se trata de fazer um projeto de uma serpentina para resfriamento e desumidificação de ar Considere 30 kgs de ar escoando em contracorrente numa serpentina com água gelada A serpentina é de 1 tubo e as temperaturas na superfície molhada do tubo são de 91C na entrada da água gelada e 102C na saída da água gelada como mostra a figura a seguir O ar entra nas temperaturas de bulbo seco de 35C e bulbo úmido de 25C e sai na temperatura de bulbo úmido de 18C Água gelada entra a 10C e sai a 5C Qual é a área da serpentina Assinale a alternativa correta assumindo que o coeficiente de transferência de calor ch é de 500 2 W m K e calor específico da mistura de ar de 102 kJkgK Seção 23 Serpentinas resfriadoras e desumidificadoras controle em condicionadores de ar 117 Figura Resfriamento e desumidificação do ar Fonte elaborada pelo autor a 405 m² b 441 m² c 478 m² d 502 m² e 512 m² Referências BERGMAN TL et al Transferência de Calor e Massa 7 ed Rio de Janeiro LTC Editora Ltda 2014 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH Editora Ltda 2013 REIS B L BARBOSA R M MENDES N HVACLST Software de Simulação de Sistemas de Climatização Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Maceió p 16021611 2005 Disponível em httpwwwinfohaborgbrencacfiles2005ENCAC0516021611pdf Acesso em 29 de out 2018 MILLER R MILLER M R Ar Condicionado e Refrigeração 2 ed Tradução Alberto Hernandez Neto Arlindo Tribess Flávio Augusto Sanzovo Fiorelli Rio de Janeiro LTC 2017 MORAN M J SHAPIRO H N BOETTNER D D BAILEY M B Princípios de Termodinâmica para Engenharia 8 ed Tradução Robson Pacheco Pereira Gisele Maria Ribeiro Vieira Paulo Pedro Kenedi Fernando Ribeiro da Silva Rio de Janeiro LTC 2018 862 p STOECKER W F JONES J W Refrigeração e Ar Condicionado Tradução José M Saiz Jabardo Euryale Zerbine Silvio de Oliveira Júnior e Saburo Ikeda São Paulo McGrawHill do Brasil 1985 481p Unidade 3 Sistemas de refrigeração equipamentos Convite ao estudo Prezado aluno você deve se lembrar de que nas seções anteriores vimos o funcionamento de um ciclo de refrigeração que é composto por equipa mentos como o compressor o condensador e o evaporador e componentes como as válvulas de expansão utilizados em refrigeradores congeladores sistemas de condicionamento de ar sistemas de refrigeração em automóveis dentre outras aplicações Nesta unidade de ensino serão abordados os conceitos fundamentais desses equipamentos o que nos permitirá realizar uma análise de um sistema de compressão a vapor Esse conhecimento é necessário para compreender melhor o sistema de refrigeração identificando os equipamentos e compo nentes e aplicando as etapas do projeto de um condensador Com a finalidade de usar e colocar esses conceitos em prática vamos imaginar que você trabalha como engenheiro em uma fábrica de equipa mentos de refrigeração que está desenvolvendo um projeto de um sistema de refrigeração para a conservação de levedura de uma indústria de cerveja e o seu líder pede que você assuma a responsabilidade por esse projeto Assim na primeira fase do projeto será necessário estabelecer e definir o tipo de compressor que deverá ser usado para realizar a compressão do gás refrigerante R134a Além disso com base nas especificações do compressor obtidas de catálogos do fabricante será necessário determinar a vazão mássica do fluido refrigerante a eficiência volumétrica efetiva e a eficiência de compressão uma vez que esses dados são importantes para o projeto de refrigeração Esse equipamento é importante pois estrategicamente a cervejaria seu cliente tem planos de expandir os investimentos nacional e internacional mente e o sucesso no atendimento a esse equipamento abrirá portas para a atuação da empresa em que você trabalha no fornecimento de equipamentos no cenário internacional Um segundo ponto a ser resolvido nesse projeto é a especificação do condensador Como você já sabe o gás refrigerante que sai do compressor é direcionado para o condensador a fim de diminuir a sua temperatura Nesse processo de transferência de calor pedese que você determine a taxa de transferência de calor e consequentemente a área específica para a transfe rência de calor no condensador Como terceiro ponto será necessário determinar o comportamento do sistema completo entre o compressor o condensador e o evaporador com base em informações técnicas de um determinado compressor Então mediante simulação matemática será preciso determinar a capacidade de refrigeração a potência do compressor a taxa de rejeição de calor no condensador e as temperaturas de evaporação e condensação Veja que nesse processo será avaliado o sistema completo trazendo informações importantes da operação do sistema para o projeto Você acha que a formação de condensado de água no tubo externo do evaporador pode afetar a transferência de calor O tubo capilar ou a válvula de expansão podem ser usados como dispositivo de expansão para um deter minado sistema de refrigeração Na primeira seção desta unidade estudaremos os compressores alterna tivos os tipos de compressores e a determinação da eficiência Na segunda seção veremos os condensadores e o projeto de um condensador assim como estudaremos os evaporadores e o comportamento dos evaporadores E na terceira seção serão abordados os dispositivos de expansão tais como tubos capilares e as válvulas de expansão e a simulação do comportamento do sistema completo Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 121 Compressores alternativos e compressores parafuso Diálogo aberto Prezado aluno como já visto anteriormente o sistema de refrigeração é composto de vários equipamentos e cada um deles tem uma função especí fica dentro do ciclo de refrigeração Assim um dos equipamentos desse ciclo é o compressor que tem a importante função de comprimir o gás refrige rante aumentando a sua pressão e temperatura Você já deve ter visto no refrigerador de casa que o compressor é totalmente fechado e hermético Note que ele é utilizado também em sistemas compactos de arcondicionado Além disso temos o compressor parafuso que tem várias aplicações por exemplo em super mercados equipamentos compactos como chillers unidades condensa doras e indústrias em geral O compressor alternativo do tipo aberto facilita a manutenção e é utili zado em grandes supermercados e indústria de processos Hoje em dia nos supermercados são utilizados compressores de alta eficiência que apresentam o melhor desempenho energético em termos de consumo de energia e são aplicados em diversas indústrias para produção de ar comprimido Para colocarmos em prática os conceitos aprendidos uma vez enten dendo e conhecendo o funcionamento de um compressor vamos pensar que você é um engenheiro que trabalha em uma fábrica de equipamentos de refrigeração que está desenvolvendo um projeto de um sistema de refrige ração para a conservação de levedura de uma indústria de cerveja tendo sido indicado pelo seu líder para executar esse projeto Para essa etapa do projeto é necessário especificar e indicar o tipo de compressor que deverá ser escolhido para realizar a compressão de R134a usado como fluido refrigerante Outras informações importantes que você precisa calcular para o projeto são a eficiência volumétrica efetiva a efici ência de compressão e a vazão mássica do fluido refrigerante a ser usado no compressor A Figura 31 mostra um diagrama e as informações necessárias do compressor Seção 31 122 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos A partir do catálogo de um compressor de 5 cilindros operando com refrigerante R134a você obtém a informação de que a rotação é de 28 rotações por segundo rps para uma potência de 40 kW O diâmetro do cilindro de compressão é de 90 mm o percurso é de 80 mm e a fração do espaço nocivo é de 38 A temperatura de evaporação deverá ser de 0 C e a temperatura do condensador de 46 C Para resolver esse problema você vai precisar saber mais sobre compres sores alternativos e desempenho de compressores ideais eficiência volumé trica efetiva e de compressão e compressores de palheta e centrífugo Você acha que a eficiência de um compressor pode ser determinada considerando um processo isentrópico Ou então você já ouviu falar sobre a eficiência do espaço nocivo Para responder a essas e outras questões comece a ler deste material a fim de agregar novos conhecimentos Figura 31 Unidade de compressão com refrigerante R134a Fonte elaborada pelo autor Compressores alternativos No sistema de refrigeração o compressor pode ser considerado o elemento fundamental do sistema pois a finalidade dele no ciclo de refrige ração é bombear o fluido refrigerante Os compressores que são providos de cilindros de ação simples podem ser monocilindros ou multicilindros Os arranjos de um compressor multicilindro podem ser em V W radialmente ou em linha A Figura 32 mostra o arranjo de um compressor de configu ração W de 86 Hp de potência Não pode faltar Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 123 No processo de sucção do pistão o gás refrigerante que está a baixa pressão é succionado aspirado pela válvula de sucção Após no processo de descarga o pistão comprime o refrigerante e em seguida empurrao para fora pela válvula de descarga que geralmente está localizada no cabeçote do cilindro Existem os compressores herméticos os quais se caracterizam por serem fechados No seu interior o motor e o pistão são montados sobre molas e quando o compressor entra em funcionamento o motor é resfriado pelo próprio fluido do sistema Nos equipamentos tais como geladeiras congela dores e aparelhos condicionadores de ar residenciais são utilizados compres sores herméticos Como a umidade pode danificar o motor antes da carga do gás é necessária a desidratação da unidade Em compressores herméticos maiores as cabeças dos cilindros são geralmente removíveis a fim de se ter acesso às válvulas e aos pistões para manutenção Esse tipo de unidade é denominado de compressores semiherméticos Um compressor tem duas características importantes que são a capaci dade de refrigeração e a sua potência Essas duas características de um compressor são controladas em grande parte pelas pressões de sucção e descarga Normalmente é feita uma análise de um compressor ideal o que possibilita obter um melhor entendimento dos efeitos das pressões e depois fazse a comparação com um compressor real Figura 32 Compressor alternativo para refrigerante R22 de configuração W Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileCompresoralternativoR22jpg Acesso em 4 fev 2019 124 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Em compressores alternativos existem dois tipos de eficiência A efici ência volumétrica efetiva e a eficiência volumétrica do espaço morto ou nocivo A eficiência volumétrica efetiva é dada pela seguinte equação 3 3 vazão que entra no compressor 100 taxa de deslocamento do compressor ve m s m s h A taxa de deslocamento do compressor é o volume deslocado pelos pistões no curso de sucção por unidade de tempo A taxa de deslocamento é dada por 3 o Taxa de deslocamento N cilindros rotação volumedocilindro m kg Em que Nº cilindros se refere ao número de cilindros do compressor a rotação é dada em rotações por segundo rps e o volume do cilindro é dado em 3 m por cilindro por rotação 3 m cil r O volume do cilindro é determi nado com base no diâmetro do cilindro D e no deslocamento do êmbolo m que são especificações típicas do fabricante do compressor No processo de descarga do gás comprimido uma quantidade de volume de gás não consegue ser liberada pois o pistão atinge o ponto morto o que ocorre por não haver uma diferença de pressão entre a câmara e a saída Assim esse volume ocupado na câmara é chamado de espaço nocivo Então a efici ência volumétrica do espaço nocivo pode ser expressa pela seguinte equação 1 100 1 vn c V x V h æ ö ç ç ç çè ø Em que x é a fração de espaço nocivo dado por 3 100 c c V x V V 1 V é o volume em que o gás se expande até um ponto 1 da câmara 3 m c V é o volume mínimo ou volume do espaço nocivo 3 m e 3 V é o volume máximo ou final em que o êmbolo é deslocado na câmara 3 m Exemplificando Um compressor de 3 cilindros com rotação de 30 rps tem cilindros com diâmetro de 80 mm e deslocamento do êmbolo de 60 mm Determine a taxa de deslocamento Solução a taxa de deslocamento é dada pela seguinte equação 2 3 3 0080 3 30 0060 4 00271 271 r m Taxa de deslocamento cil s cil r Taxa de deslocamento m s L s p æ ö ç ç ç ç è ø Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 125 Quando a expansão é isentrópica a relação de 1 c V V pode ser expressa pela seguinte equação 1 suc c des v V V v Dado que vsuc é o volume específico de sucção ou vapor admitido no compressor 3 m kg ou L kg e vdes é o volume específico do vapor após a compressão isentrópica 3 m kg Os valores de volumes especí ficos podem ser obtidos das tabelas termodinâmicas de vapor superaque cido de Stoecker e Jones 1985 p 463466 ou dos diagramas de pressão entalpia de vapor superaquecido do fluido refrigerante STOECKER JONES 1985 p 472476 Desempenho de um compressor ideal O processo de expansão e compressão do gás retido no espaço nocivo é considerado isentrópico e afeta a eficiência volumétrica de um compressor ideal Essa eficiência volumétrica do espaço nocivo geralmente diminui quando a temperatura de evaporação do gás diminui No caso do refrige rante R22 a eficiência volumétrica chega a ser nula quando a temperatura de evaporação é de 61 C Para um compressor ideal a vazão mássica pode ser expressa pela seguinte equação 100 taxa de deslocamento vn suc L m s v æh ö ç ç ç çè ø Em que a taxa de deslocamento é dada em 3 m s e vn h é a eficiência volumétrica no espaço nocivo A potência para um compressor ideal é dada pela seguinte equação 2 1 i P m h P m h h kW D Em que P é a potência kW m é a vazão mássica kg s ih D é o trabalho de compressão isentrópica kJ kg 2h é a entalpia na saída do compressor kJ kg e 1h é a entalpia de sucção ou a entrada no compressor kJ kg 126 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Capacidade de refrigeração A capacidade de extrair calor do espaço refrigerado evaporador é conhecida também como a capacidade de refrigeração que pode ser dada pela seguinte equação 1 4 q m h h kW Em que 1h e 4h são as entalpias do refrigerante na saída e na entrada do evaporador kJ kg Na Figura 33 para o refrigerante R22 pode ser observado um aumento do efeito de refrigeração ou seja um aumento nas diferenças da entalpia entre a saída e a entrada do evaporador 1 4 h h com o aumento da temperatura de evaporação Por sua vez quando a temperatura de evaporação aumenta a capacidade de refrige ração também aumenta Exemplificando A temperatura do evaporador de um refrigerador operando com refri gerante R22 é de 5 C e a temperatura do condensador é de 45 C Se o desempenho do compressor é baseado no superaquecimento do gás em 10 C na sucção do compressor qual é a eficiência volumétrica do espaço nocivo A fração do espaço nocivo é de 41 Solução o processo é isentrópico a temperatura de evaporação saturação é de 5 C e tendo em vista que o desempenho do compressor no superaquecimento é de 10 C então a temperatura de sucção do compressor entrada no compressor será de 10 C 5 C 15 C O gás está na região superaquecida Da tabela de vapor superaquecido do refrigerante R22 STOECKER JONES 1985 p 467 1 425379 e 17708 vsuc L kg s kJ kg K Como a tempera tura do condensador é de 45 C então a temperatura na saída do condensador é a mesma Assim a entalpia na saída do compressor é 1 17708 s kJ kg K e interpolando temos que 159250 vdes kJ kg STOECKER JONES 1985 p 469 Então 425379 100 1 100 41 1 9315 159250 suc vn des v x v h æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Portanto temos que a eficiência volumétrica do espaço nocivo será de 9315 Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 127 Eficiência volumétrica efetiva Alguns fatores tais como perda de carga através de válvulas de sucção e descarga fugas de gás através dos anéis dos pistões e aquecimento do cilindro pela sucção do gás podem afetar a eficiência volumétrica Por outro lado o volume específico do gás no interior do cilindro é maior do que o volume específico do gás quando entra no cilindro do compressor que é a posição na qual está baseada a eficiência volumétrica efetiva Se considerarmos todos os fatores mencionados a eficiência volumétrica efetiva ou real tende a diminuir com relação à eficiência volumétrica do espaço nocivo Consequentemente a eficiência volumétrica efetiva será sempre menor que a eficiência volumétrica do espaço nocivo seja qual for a relação entre a pressão de descarga e de sucção Eficiência de compressão A eficiência de compressão é dada pela seguinte equação Trabalho de compressão isentrópica 100 Trabalho efetivo de compressão c kJ kg kJ kg h Figura 33 Efeito e capacidade de refrigeração de um compressor ideal com fração de espaço nocivo de 45 taxa de deslocamento de 50 L s temperatura de condensação de 35 C para o refrigerante R22 Fonte Stoecker e Jones 1985 p 235 128 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Compressor parafuso características de desempenho O corte transversal do rotor de um compressor parafuso simples é mostrado na Figura 34a Aqui podem ser observados dois rotores entrelaçados o macho com 4 lóbulos à direita aciona o rotor fêmea à esquerda alojado em um espaço estacionário O vapor do refrigerante ingressa por uma extremidade do compressor e o abandona pela outra extremidade Quando o vapor é admitido no compressor um vácuo é criado fluindo para o interior Pouco antes do ponto em que o espaço entre os lóbulos deixa a porta de entrada todo o comprimento da cavidade é preenchido pelo gás Assim quando começa a rotação os lóbulos macho e fêmea se encaixam e o gás retido é movimentado para o interior circulando em torno do alojamento ou carcaça do compressor até diminuir o volume e ser comprimido Em um certo ponto do processo de compressão o orifício de descarga é aberto e o gás comprimido é descarregado Assimile Lembrese de que a eficiência volumétrica efetiva é referente ao volume de gás que ingressa no compressor e ao volume coberto pelos êmbolos na sucção ambos por unidade de tempo Enquanto que a eficiência de compressão leva em consideração o trabalho de compressão ideal e o trabalho efetivo ou real de um compressor Figura 34 Compressor parafuso simples a vista transversal de um compressor parafuso b eficiências de quatro compressores parafuso Fonte Stoecker e Jones 1985 p 244245 Dado que o trabalho de compressão isentrópica e o trabalho efetivo de compressão estão referidos para a mesma pressão de sucção e de descarga Vale ressaltar que as eficiências de compressão para compressores alterna tivos de tipo aberto estão geralmente na faixa de 65 a 70 Efeitos como o atrito de superfície e a queda de pressão através de válvulas diminuem a eficiência de compressão Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 129 Os compressores parafuso atualmente vêm sendo aplicados basicamente em supermercados de grande porte O custo de manutenção é elevado assim como o custo de aquisição Hoje em dia o mais utilizado é o compressor de parafuso duplo que é formado por um conjunto duplo de rotores macho e fêmea para comprimir o vapor O rotor macho possui 4 lóbulos enquanto que o rotor fêmea possui 6 lóbulos sendo conhecidos como arranjo de 46 Alguns compressores de condicionamento de ar usam outros arranjos por exemplo de 57 Você sabe que em um certo ponto do processo de compressão a porta de descarga é aberta para o vapor sair Esse ponto faz parte do projeto de um compressor e estabelece uma razão entre volumes internos do compressor Uma razão de volume interno está associada a uma relação de pressão interna descarga e sucção e um compressor tem seu melhor desempenho para uma determinada razão de pressão A Figura 34b mostra a variação da eficiência de compressão com a razão de pressão interna para diferentes compressores A operação normal de um sistema de refrigeração acontece dentro de uma faixa de razão de pressão à medida que as condições de operação de um condensador e evaporador vão mudando de tal modo que um compressor parafuso não opera em eficiência máxima No entanto as eficiências são altas e não devem mudar se não houver uma variação brusca da relação de pressão de carga e descarga Compressores de palhetas Os dois tipos básicos de compressores de palhetas são o de palheta única e de múltiplas palhetas Figura 35 Os compressores de palhetas são usados princi palmente em refrigeradores domésticos congeladores e condicionadores de ar embora também possam ser usados como compressores de reforço na porção de baixa pressão de grandes sistemas de compressão de múltiplos estágios Reflita Você recomendaria utilizar um compressor parafuso para um refrige rador de capacidade de refrigeração de 10 kW Por quê Figura 35 Compressor de palheta a palheta única b múltiplas palhetas duas palhetas c múltiplas palhetas quatro palhetas Fonte Stoecker e Jones 1985 p 246247 130 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos No tipo de palheta única mostrado na Figura 35 a temos a linha central do eixo sendo a mesma que a linha central do cilindro A linha central do eixo no entanto está localizada excentricamente no rotor de modo que quando o rotor gira ele entra em contato com o cilindro O compressor tipo de palheta única tem um divisor que separa as câmaras de sucção e de descarga No compressor de múltiplas palhetas mostrado nas Figuras 35 b e c o rotor gira em torno da sua própria linha central mas as linhas centrais do cilindro e do rotor não coincidem O rotor tem duas ou mais palhetas desli zantes que são seguras contra o cilindro por força centrífuga Para o compressor de duas palhetas mostrado na Figura 35 b o deslo camento por revolução é proporcional ao dobro da área hachurada Para o compressor de quatro palhetas mostrado na Figura 35 c o deslocamento por revolução é proporcional a 4 vezes a área hachurada Até um certo ponto então o deslocamento é maior no compressor com o maior número de pás Compressores centrífugos Quando temos grandes instalações particularmente para instalações de refrigeração de água utilizadas em grandes instalações de condicionamento de ar usamos compressores centrífugos como visto na Figura 36 A operação desses compres sores é similar em construção de bombas centrífugas em que o fluido de entrada entra no olho do impelidor giratório e é jogado por força centrífuga para a periferia do impelidor Assim as lâminas do impelidor transmitem uma alta velocidade ao gás e também aumentam a pressão Do impelidor o gás flui em lâminas difusoras ou em uma voluta onde parte da energia cinética é convertida em pressão O compressor centrífugo pode ser fabricado com apenas uma roda se a razão de pressão for baixa embora as máquinas sejam geralmente de múltiplos estágios Os compressores centrí fugos operam com eficiência de compressão adiabática de 70 a 80 Os impelidores em compressores centrífugos são equipados com lâminas curvadas para trás ao contrário do que foi mostrado para os ventiladores Figura 36 Compressor centrífugo Fonte httpsuploadwikimediaorgwikipediacommons 330ThomassenElliottcentrifugalcompressor2C barreltypeJPG Acesso em 4 fev 2019 Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 131 os quais eram equipados com lâminas curvadas para frente É certo que o ar que flui através de um ventilador foi tratado como um fluido incompressível enquanto que no compressor centrífugo o vapor refrigerante é claramente comprimido Para um compressor de velocidade constante à medida que a vazão inicia em zero e aumenta o acúmulo de pressão desenvolvido pelo compressor começa em um valor diferente de zero aumenta por um tempo e depois cai progressivamente Duas dimensões que um projetista deve saber que são cruciais do impelidor são o diâmetro da roda e a largura entre as faces do impelidor Quando ele for projetar um sistema de compressor centrífugo deve selecionar uma combinação dessas dimensões juntamente com uma opção de refrige rante A magnitude do diâmetro da roda é fortemente ditada pela pressão de descarga que deve ser alcançada porque para uma dada velocidade rotativa um grande diâmetro da roda fornecerá uma maior velocidade de ponta o que resulta em uma maior razão de pressão Compressores centrífugos podem usar amônia mas estágios adicionais de compressão podem ser necessários Os projetistas de compressores centrí fugos lutam constantemente para manter altas eficiências com máquinas de pequena capacidade Muitas vezes a escolha de um refrigerante de baixa densidade permite manter uma ampla largura do rotor para uma determi nada capacidade Concluindo cada compressor estudado nesta seção seja ele alternativo parafuso de palheta ou centrífugo apresenta qualidades distintas podendo ser aplicado para diferentes capacidades de refrigeração em que um tipo de compressor pode ter alguma vantagem com relação ao outro Normalmente os compressores alternativos dominam desde capacidades de refrigeração muito pequenas até cerca de 300 kW Já os compressores centrífugos são mais utilizados para unidades com capacidade de refrigeração de 500 kW ou mais O compressor parafuso encontrou uma brecha nas capacidades de 300 kW a 500 kW e acaba competindo com grandes compressores alterna tivos e com pequenos compressores centrífugos O compressor de palhetas compete com o compressor alternativo principalmente no mercado de refri geradores domésticos e condicionadores de ar Em plantas de refrigeração industrial muitas vezes é feita uma combinação de compressores parafuso e alternativos Os conceitos aprendidos nesta seção são a base para o conhecimento e a aplicação sobre compressores na indústria de refrigeração uma vez que são considerados detalhes específicos sobre o cilindro do compressor para a determinação da eficiência Mais adiante veremos sobre condensadores e evaporadores assim como o projeto do condensador Veja como é importante 132 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos conhecer os componentes de um sistema de refrigeração e saber como proje tálos para uma determinada finalidade Nesse contexto o conteúdo apresen tado contribuirá para sua formação Relembrando que você é um engenheiro que trabalha em uma fábrica de equipamentos de refrigeração e está desenvolvendo um projeto de um sistema de refrigeração para a conservação de levedura de uma indústria de cerveja temos que o seu líder pede para você indicar o tipo de compressor que deverá ser escolhido para uso de R134a como fluido refrigerante Além disso é necessário determinar a eficiência volumétrica efetiva a eficiência de compressão e a vazão mássica do fluido refrigerante a ser usado no compressor Você conta com algumas informações para um compressor de 5 cilindros obtidas do catálogo do fabricante A rotação é de 28 rps diâmetro da câmara é de 90 mm o percurso do pistão de 80 mm e a fração do espaço nocivo é de 38 Além disso a temperatura de evaporação é de 0 C e a temperatura do condensador de 46 C A Figura 36 mostra as informações para o compressor e o sistema Sem medo de errar Como a capacidade de refrigeração dada no problema é de 40 kW podemos sugerir o uso do compressor tipo alternativo o qual é indicado para pequenas capacidades de refrigeração até 300 kW Não sugeriria o tipo parafuso pois é indicado para capacidades de refrigeração de 300 kW até 500 kW nem o centrífugo que é utilizado para capacidades acima de 500 kW O compressor do tipo paleta é mais indicado para refrigeradores domésticos congeladores e condicionadores de ar residenciais Para começar a resolver o seu problema primeiramente determinamos a taxa de deslocamento do compressor pela seguinte equação Figura 36 Unidade de compressão com refrigerante R134a Fonte elaborada pelo autor Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 133 2 3 3 0090 6 28 0080 00855 855 4 r m Taxa de deslocamento cil m s L s s cil r p æ ö ç ç ç ç è ø Para determinar a vazão mássica determinamos a eficiência volumétrica do espaço nocivo vn h e para isso precisamos saber os volumes específicos de sucção e descarga do gás R134a Na sucção o gás vem do evaporador a 0 C e a descarga é considerada na temperatura do condensador de 46 C Das propriedades de líquidovapor saturado para R134 a 0 C temos que para o vapor saturado 689 vsuc L kg 1 24723 h kJ kg e a entropia é de 1 09190 s kJ kg K MORAN et al 2018 p 766 O gás abandona o compressor no estado de vapor superaquecido na temperatura de conden sação de 46 C A Tabela 31 fornece dados do volume específico entalpia e entropia para as temperaturas de saturação de 3939 C e 4632 C Os valores de volume específico entalpia e entropia para 46 C são obtidos por interpolação entre as temperaturas de 3939 C e 4632 C e estão reportados à direita da Tabela 31 Lembrese de que a sucção do compressor ocorre a 0 C e a descarga a 46 C Para compressão isentrópica temos que 1 09190 s kJ kg K Na descarga 2 vdes e h são calculados por interpolação a 46 C Assim temos que 2 1737 e 27620 vdes L s h kJ kg Determinando a eficiência volumé trica do espaço nocivo e a vazão mássica temos 689 100 1 100 38 1 8773 1737 100 8773 100 taxa de deslocamento 855 1089 689 suc vn des vn suc v x v kg L m s s v L kg h h æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø A eficiência volumétrica efetiva é 1089 689 vazão que entra no comp 100 100 100 taxa de deslocamento do comp 855 855 8776 suc ve ve kg s L kg L s m v L s L s L s h h Fonte Moran et al 2018 p770 Tabela 31 Propriedades termodinâmicas do refrigerante R134a superaquecido considerando que volume específico v L kg entalpia h kJ kg e entropia s kJ kg K Temperatura de saturação 3939 C T C h s 50 2171 28019 09428 60 2301 29136 09768 v Temperatura de saturação 4632 C h s 1712 27552 09164 1835 28744 09527 v Temperatura de saturação Interpolada a 46 C h s 1733 27574 09176 1857 28762 09538 v 134 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos A potência efetiva de compressão pode ser expressa por P m h D em que h D é o trabalho efetivo de compressão Então 40 1089 3673 h P m kJ s kg s kJ kg D Da mesma forma o trabalho de compressão isentrópica é 2 1 27220 24723 2497 h h h kJ kg D Assim a eficiência de compressão é determinada a partir da seguinte equação Trabalho de compressão isentrópica 2497 100 100 6798 Trabalho efetivo de compressão 3673 c kJ kg kJ kg h Concluindo temos que os resultados mostram que a eficiência volumé trica efetiva do compressor será de 8776 e a vazão será de 1089 kg s Considerando a potência real do compressor de 40 kW obtemos que a efici ência de compressão será de 6798 Aplicando os conceitos e as equações abordadas nesta seção você conseguiu determinar as características do compressor indicado para o projeto Parabéns Determinação da eficiência volumétrica efetiva de um compressor Descrição da situaçãoproblema Imagine que você é um engenheiro que trabalha em uma empresa de projetos de compressores A fim de atender a um projeto de refrigeração solicitado por um cliente você foi indicado pelo seu líder para estimar a efici ência volumétrica e a vazão mássica de um compressor O compressor deverá operar em uma temperatura de condensação de 45 C e em uma tempera tura do evaporador de 8 C usando o refrigerante R134a O compressor indicado será de 6 cilindros considerando que dados do catálogo do compressor fornecem uma rotação de 30 rps diâmetro do cilindro de 90 mm deslocamento do êmbolo de 70 mm além de o compressor ter 45 de espaço nocivo Com essas informações você precisará determinar a efici ência volumétrica efetiva e a vazão mássica do refrigerante no compressor Avançando na prática Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 135 Resolução da situaçãoproblema Iniciando a resolução do problema proposto temos que com dados do catálogo do compressor você pode encontrar a taxa de deslocamento Assim 2 3 3 0090 6 30 0070 00802 802 4 r m m L Taxa de deslocamento cil s cil r s s p æ ö ç ç ç ç è ø O refrigerante R134a ingressa no compressor na temperatura do evapo rador de 8 C e nessa temperatura o volume específico de sucção é de 919 vsuc L kg e a entropia é de 1 09239 s kJ kgK MORAN et al 2018 p 766 O volume específico de descarga do compressor na temperatura de condensação de 45 C é determinado na condição de vapor superaquecido A Tabela 32 mostra as propriedades de vapor superaquecido para o refri gerante R134a nas temperaturas de saturação de 3939 C e 4632 C A determinação do volume específico e da entropia a 40 C é realizada por interpolação entre as temperaturas de 3939 C e 4632 C Os valores inter polados estão dispostos nas duas colunas à direita da tabela Para uma compressão isentrópica ou seja com 1 09239 s kJ kgK constante a 45 C interpolando os dados da Tabela 32 a 45 C temse que o volume específico de descarga é de 1994 vdes L kg Agora determinando a eficiência volumétrica do espaço nocivo e a vazão mássica temos que 919 100 1 100 45 1 8376 1994 suc vn des v x v h æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Então a vazão mássica será 100 8376 100 taxa de deslocamento 802 0731 919 vn suc kg L m s s v L kg h æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø A eficiência volumétrica efetiva do compressor será Tabela 32 Propriedades termodinâmicas do refrigerante R134a superaquecido Fonte Moran et al 2018 p 770 Temperatura de saturação 3939 C T C 50 09428 2171 60 09768 2301 s kJ kg K v L kg Temperatura de saturação 4632 C 09164 1712 09527 1835 s kJ kg K v L kg Temperatura de saturação 45 C 09214 1999 09572 1923 s kJ kg K v L kg 136 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos vazão que entra no compressor 100 100 taxa de deslocamento do compressor 802 0731 919 100 802 8376 suc ve ve ve m v L s kg s L kg L s h h h Portanto a vazão mássica do compressor será de 0731 kg s e a eficiência volumétrica efetiva será de 8376 1 No sistema de refrigeração temos que o compressor é o equipamento utilizado para aumentar a pressão do fluido refrigerante diminuindo seu volume e aumen tando a temperatura Essa função de um compressor faz com que ele tenha diferentes aplicações na indústria podendo ser de diferentes tipos O compressor com arranjo 46 ou 57 se refere a que tipo de compressor Assinale a alternativa correta a Compressor alternativo b Compressor de palhetas c Compressor parafuso duplo d Compressor centrífugo e Compressor parafuso simples 2 Um compressor normalmente é controlado pelas pressões de sucção e descarga Em cada etapa de sucção há um volume de vapor sendo admitido no cilindro do compressor a uma determinada pressão Assim quando o vapor comprimido abandona o cilindro existem um volume e uma pressão finais Então a eficiência de um compressor é direta mente proporcional à razão entre a pressão de descarga e sucção Um condicionador de ar trabalhando com refrigerante R134a mostra uma obstrução do ar no condensador o que ocasiona o aumento da pressão de condensação diminuindo a eficiência volumétrica do compressor até um valor nulo Se a relação de pressão de descarga e sucção do compressor é de 172 qual é a pressão de descarga sabendo que a temperatura de evaporação é 0 C Assinale a alternativa correta a 172 kPa b 4050 kPa c 3400 kPa d 5036 kPa e 5830 kPa Faça valer a pena Seção 31 Compressores alternativos e compressores parafuso 137 3 Na indústria de refrigeração um dos fluidos de refrigeração utilizados é a amônia No compressor o gás de amônia é comprimido e sai do compressor a uma maior pressão seguindo para o ciclo de refrigeração Os fabricantes de compressores geral mente fornecem catálogos com as características do compressor tais como capaci dade de refrigeração potência diâmetro do cilindro de compressão etc Um compressor operando com gás de amônia a 40 C e a uma taxa de deslocamento de 70 L s tem uma fração de espaço nocivo de 4 Elabore uma linha de raciocínio e desenvolva os cálculos para determinar qual é a vazão da amônia para uma tempera tura de evaporação de 10 C Assinale a alternativa correta a 015 kg s b 041 kg s c 058 kg s d 062 kg s e 073 kg s 138 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Seção 32 Condensadores e evaporadores Diálogo aberto Caro aluno você sabia que dois componentes são os encarregados de realizar o processo de transferência de calor nos sistemas de refrigeração São eles o condensador e o evaporador No condensador o gás refrigerante está a alta pressão e alta temperatura enquanto que no evaporador acontece o contrário No resfriamento do gás ele condensa na superfície dos tubos ocasionando uma resistência à transferência de calor que deve ser levada em consideração no projeto do condensador Na indústria de refrigeração existem condensadores e evaporadores que podem ser resfriados a ar ou a água e podem ser herméticos ou abertos Os condensadores resfriados a ar ou a água têm aplicação em sistemas de condicionamento de ar e em refri geração comercial A grande maioria dos equipamentos residenciais de até 60000 Btu e comerciais de até 600000 Btu utiliza condensadores a ar Os condensadores a água também são utilizados em sistemas de refrigeração e de condicionamento de ar e a distância entre o compressor e o condensador é longa Já nos evaporadores acontece a ebulição ou a mudança de fase do líquido ocasionando uma variação da resistência de transferência de calor de acordo com a fração de líquido vaporizado Os evaporadores têm aplicação em câmaras frigoríficas para conservação de produtos congelados Com o intuito de colocar esses conceitos em prática e conhecendo a operação de um condensador vamos supor que você é um engenheiro e trabalha em uma fábrica de equipamentos de refrigeração que está desenvolvendo um projeto de um sistema de refrigeração para conservação de levedura de uma indústria de cerveja Nesta etapa do trabalho é preciso fazer o projeto de um condensador resfriado a água e o seu líder pediu para você assumir essa tarefa O condensador a ser utilizado tem 2 passes no tubo com um total de 42 tubos de cobre com diâmetro interno de 13 mm e diâmetro externo de 15 mm como mostra a Figura 37 da seção transversal do condensador O fluido refrigerante a ser utilizado será o R134a a temperatura de condensação será de 48 C e a tempe ratura dos tubos de 39 C O condensador será resfriado com água Figura 37 Arranjo de 42 tubos em um condensador de 2 passes no tubo Fonte elaborada pelo autor Seção 32 Condensadores e evaporadores 139 Condensadores Os condensadores são equipamentos destinados à transferência de calor entre um fluido frio e um fluido quente STOECKER JONES 1985 O projeto de um trocador de calor envolve o cálculo de diversos parâmetros tal como coeficientes de transferência de calor perda de carga do fluido quente coeficientes de condutividade térmica dentre outros Os condensadores podem ser resfriados a água ou resfriados a ar Os resfriados a água podem ser do tipo multitubular em carcaça trocadores casco e tubo e os resfriados a ar são projetados com tubos aletados dado que o ar flui pelo condensador com a ajuda de um ventilador Não pode faltar proveniente de uma torre de resfriamento entrando pelos tubos do condensador a uma temperatura de 30 C e saindo do condensador a 38 C e o calor rejeitado no condensador será de 75 kW O seu líder pede para você determinar a vazão mássica de água necessária que deverá ser usada para o resfriamento Além disso qual será a área do condensador para a troca de calor e qual será o comprimento de cada tubo Considere as propriedades termofísicas do refrigerante R134a a 45 C como r 11120kg m3 m 00001273Pa s 00714 k W m K e 15333 hlv kJ kg BERGMAN et al 2017 Apêndice A Tabela A5 A condutividade térmica do cobre é 401 kCu W m K Para a água consi derando a temperatura média de 34 C as propriedades termofísicas são r 994kg L 4178 pc J kg K 7394 10 6 Pa s m 0623 k W m K BERGMAN 2017 Apêndice A Tabela A6 Em que poderia afetar a fabricação de um condensador com uma área 20 maior que a área calculada no projeto Quais são as variáveis que afeta riam diretamente Por exemplo a temperatura de saída será maior ou menor que a entrada E por último afetaria no custo do condensador Para você começar a resolver esse problema deverá consultar este material referente a condensadores e projeto de condensadores Dê uma lida nesta seção para enriquecer seu conhecimento sobre esse assunto Boa leitura Saiba mais Você pode ver mais sobre condensadores resfriados a ar e a água no Capitulo 8 Condensadores resfriadores de líquido e torres de resfria mento do livro 140 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Um condensador multitubular em carcaça resfriado a água pode ser visto na Figura 38 Nos condensadores resfriados a água após a água passar pelos tubos do condensador ela é transportada a uma torre de resfriamento na qual deverá ser resfriada rejeitando calor à atmosfera O condensador a água é preferido em relação ao condensador a ar quando a distância entre o compressor e o local em que o calor será dissipado for grande Na maior parte dos projetos é sugerido transportar água em vez de transportar refri gerante em longas distâncias porque nos sistemas com compressores centrí fugos acoplados diretamente a um condensador são requeridos tubos com diâmetros grandes para o escoamento do refrigerante de baixa densidade Por isso os condensadores a água são preferíveis para os sistemas que utilizam compressores centrífugos Projeto de um condensador Para se determinar a área de um condensador é necessário conhecer a transferência de calor entre os fluidos quente e frio A taxa de transferência de calor no condensador está relacionada diretamente com o coeficiente Figura 38 Condensador multitubular em carcaça resfriado a água Fonte httpscommonswikimediaorgwikiFileRotterdamAhoyEuroport201160JPG Acesso em 4 fev 2019 MILLER M MILLER M R Arcondicionado e refrigeração 2 ed Rio de Janeiro LTC 2017 Disponível em Seção 32 Condensadores e evaporadores 141 Segundo a Figura 39 a taxa de transferência de calor através do tubo é dada por Parte externaconvecção Parede do tubocondução Parte internaconvecção e e e se m se si i i si i k q h A t t q A t t q h A t t x Expressando a transferência de calor em função do coeficiente global temos e e e e i i i e i q U A t t q U A t t Em que q é a taxa de transferência de calor W eh é o coeficiente de transferência de calor na superfície externa W m2 K e A é a área externa do tubo 2 m et é a temperatura do refrigerante C set é a temperatura da superfície externa C k é a condutividade térmica do metal W m K x espessura do tubo sit é a temperatura da superfície interna do tubo C m A é a área média da circunferência do tubo 2 m iA é a área interna do tubo 2 m it é a temperatura da água C ih é o coeficiente de transferência de calor na superfície interna W m2 K e i U e U são os coeficientes globais de transferência de calor externa e interna respectivamente W m2 K Como o vapor de refrigerante sai superaquecido do compressor existe uma distribuição de temperatura ao longo do condensador e como a diferença de temperatura entre o refrigerante e o fluido de resfriamento é Figura 39 Transferência de calor em um condensador resfriado a água refrigerante e água Fonte elaborada pelo autor global de transferência de calor a área de troca de calor e com a diferença de temperatura entre as correntes Veja na Figura 39 a transferência de calor através da parede do tubo Há condensadores nos quais o refrigerante passa por dentro dos tubos e o fluido de resfriamento gás ou líquido raramente utilizado passa por fora e há condensadores nos quais o refrigerante passa por fora dos tubos e o fluido de resfriamento gás raramente utilizado ou líquido passa por dentro 142 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos diferente na seção de superaquecimento saída do compressor o coeficiente de transferência de calor por convecção nessa seção geralmente é menor do que no condensador Devido a esse fato a diferença de temperatura pode ser representada pela média logarítmica das diferenças de temperatura DTml definida pela seguinte equação ln ln c ef c sf sf ef ml c ef c sf c ef c sf t t t t t t T t t t t t t t t D é ù é ù ê ú ê ú ë û ë û Na qual ct é a temperatura de condensação C eft é a temperatura de entrada do fluido de resfriamento C e sft é a temperatura de saída do fluido de resfriamento C Dessa forma a DTml pode ser usada no lugar da diferença de temperatura entre o líquido interno e externo tendo a seguinte equação e e e ml i i ml q U A T q U A T D D Por outro lado sabemos que em um condensador resfriado a água após um certo tempo de uso o valor de U diminuirá devido ao aumento da resis tência à transferência de calor do lado da água e devido à ocorrência do fenômeno de incrustação ocasionado pela deposição de impurezas da água na parede da tubulação Portanto um condensador novo deve levar em conta a deposição de impurezas ao longo do tempo de uso o que afetará o valor de U Assim é necessário introduzir o termo correspondente à incrustação 1 fi h m2 K W O valor do coeficiente global de transferência de calor externa e U será expresso pela seguinte equação 1 1 e e e e c m fi i i i xA A A U h kA h A h A Em que ch é o coeficiente médio de transferência de calor na conden sação na superfície externa de tubos horizontais O valor do fator de incrus tação em condensadores a água é considerado igual a 0000176 2 m K W Sabemos que em escoamento de fluidos com transferência de calor a equação de Nusselt pode ser aplicada A equação de Nusselt é dada por Re Pr n m Nu C Na qual C é uma constante n e m são expoentes da equação Re é o número de Reynolds e Pr é o número de Prandtl Temos que o número de Nusselt é dado por hD Nu k o número de Reynolds é dado por Re VDr m e o número de Prandtl é dado por Pr pc k m Seção 32 Condensadores e evaporadores 143 Substituindo cada uma dessas expressões temse a seguinte equação 04 08 0023 pc hD VD k k m r m æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Em que h é coeficiente de transferência de calor por convecção 2 W m K D é o diâmetro interno do tubo m k é a condutividade térmica do fluido W m K V é a velocidade média do fluido m s r é a densidade do fluido 3 kg m m é a viscosidade dinâmica Pa s e pc é o calor específico do fluido J kg K Vale ressaltar que o coeficiente de transferência de calor h pode ser determinado a partir dessa equação Vale ressaltar que a equação do coeficiente de transferência de calor por convecção é aplicável para fluidos com escoamento turbulento Como geral mente o escoamento de fluidos em condensadores e evaporadores é turbu lento a equação descrita pode ser usada Exemplificando Qual será o coeficiente de transferência de calor por convecção para a água que escoa através de um tubo de 10 mm de diâmetro interno a uma temperatura de 285 K 1185 C e velocidade de 15 m s Solução Primeiramente as propriedades da água a 285 K são 6 2 3 1225 10 123 10 N s m Pa s m 590 10 3 k W m K 4189 pc J kg K e r 1000kg m3 BERGMAN et al 2017 Tabela A1 O número de Reynolds é 3 6 15 001 1000 Re 122449 1225 10 m s m kg m VD Pa s r m Esse resultado indica que o escoamento é turbulento O número de Prandtl é 6 3 4189 1225 10 Pr 87 590 10 p J kg K Pa s c k W mK m Finalmente o coeficiente de transferência de calor por convecção será 04 08 08 04 2 059 0023 0023 122449 87 001 60083 pc W mK k VD h D k m h W m K m r m æ ö æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø è ø 144 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Na parte externa do tubo deverá existir condensação então o coeficiente médio de transferência de calor na condensação na superfície externa de tubos horizontais ch é dado pela equação 14 2 3 2 0725 lv c g h k h W m K t N D r m æ ö ç ç ç ç è D ø Na qual g é a aceleração da gravidade 2 m s lv h é a entalpia de vapori zação ou calor latente de vaporização J kg N é o número de tubos dispostos verticalmente dividido pelo número de colunas t D é a diferença da temperatura do vapor do refrigerante e a temperatura da superfície do tubo D é o diâmetro externo do tubo m Os dados de condutividade térmica e viscosidade dinâmica para alguns refrigerantes estão reportados em Stoecker e Jones 1985 p 332 e em Bergman et al 2017 Apêndice A Tabela A5 A transferência de calor no condensador é uma função da capacidade de refrigeração e da temperatura de condensação O calor transferido do condensador para o ambiente é conhecido como o calor rejeitado do conden sador e é dado pela seguinte equação taxadecalorrejeitadonocondensador relaçãoderejeiçãodecalor TCAE kW Exemplificando Seja um condensador de 30 tubos mostrado na Figura 310 Qual será o valor do número de tubos dispostos verticalmente Figura 310 Disposição dos tubos no condensador Fonte elaborada pelo autor Solução O valor de N é determinado pela soma dos números de tubos dispostos verticalmente dividido pelo número de colunas como mostra a Figura 310 3 5 6 6 6 4 5 6 N Então o valor de N será igual a 5 Seção 32 Condensadores e evaporadores 145 Em que TCAE é a taxa de calor absorvido no evaporador kW A relação de rejeição de calor pode ser determinada pela Figura 311 com base no conhecimento da temperatura de condensação no tipo de compressor aberto ou fechado e na temperatura de evaporação Figura 311 Relação de rejeição de calor no condensador em função da temperatura de condensação para o refrigerante 12 e 22 Fonte Stoecker e Jones 1985 p 271 16 15 14 13 12 11 10 20 30 40 50 60 Temperatura de condensação oC 10 oC 0 oC 10 oC evaporador Hermético Compressor aberto Relação de rejeição de calor Exemplificando Um sistema de refrigeração com capacidade de refrigeração de 40 kW em que a temperatura de evaporação é de 0 C e a temperatura de condensação de é de 30 C utiliza um compressor hermético Qual será a taxa de calor rejeitado no condensador 146 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Solução Usando a Figura 311 na temperatura de condensação de 30 C compressor hermético e temperatura do evaporador de 0 C a relação de rejeição de calor é de 12 Então a taxa de calor rejeitado no conden sador será 12 40 48 48 taxadecalorrejeitadonocondensador kW taxadecalorrejeitadonocondensador kW Evaporadores Na maioria dos evaporadores utilizados em sistemas de refrigeração o refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor nos tubos e resfria o fluido que passa pela parte externa dos tubos Esses evaporadores são frequente mente chamados de evaporadores de expansão direta Há também os evapo radores que resfriam o ar e os resfriadores de líquido e eles apresentam aletas dentro dos tubos para aumentar a condutância no lado do refrigerante A Figura 312 mostra um evaporador utilizado para resfriar ar Os evaporadores de expansão direta usados em aplicações de condi cionamento de ar são normalmente alimentados por uma válvula de expansão que regula o fluxo de líquido de modo que o vapor refrige rante deixa o evaporador com algum superaquecimento Um outro conceito é o evaporador de recirculação de líquido ou evaporador com Figura 312 Evaporador que resfria ar com distribuidor de refrigerante lado esquerdo para manter a alimentação uniforme Fonte httpswwwflickrcomphotosnurilanwar16039383978 Acesso em 4 fev 2019 Seção 32 Condensadores e evaporadores 147 sobrealimentação de líquido no qual o excesso de líquido a baixa pressão e temperatura é bombeado para o evaporador Uma porção de líquido muda da fase líquida para a fase vapor no evaporador e o restante sai como líquido O líquido do evaporador é separado e o vapor flui para o compressor Os sistemas de refrigeração industrial de baixa tempera tura geralmente usam esse tipo de evaporador o qual tem a vantagem de molhar todas as superfícies internas do evaporador e manter um alto coeficiente de transferência de calor Enquanto o refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor dentro dos tubos da maioria dos evaporadores comerciais em uma classe impor tante de evaporador de resfriamento de líquido o refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor fora dos tubos Esse tipo de evaporador é padrão em aplicações de compressor centrífugo Às vezes esse evaporador é usado em conjunto com compressores alternativos mas em tais aplica ções devese providenciar o retorno do óleo ao compressor Nos evapora dores nos quais o refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor nos tubos a velocidade do vapor refrigerante é mantida alta o suficiente para levar o óleo de volta ao compressor Ebulição no interior dos tubos Quando o refrigerante muda da fase líquida à fase vapor dentro dos tubos o coeficiente de transferência de calor muda progressivamente conforme o refrigerante flui pelo tubo O refrigerante entra no tubo do evaporador com uma baixa fração de vapor e à medida que o refri gerante passa pelo tubo a fração de vapor aumenta intensificando a agitação e aumentando o coeficiente de transferência de calor Quando o refrigerante é quase todo vaporizado o coeficiente cai para a magnitude aplicável ao predito pela equação de transferência de calor por convecção forçada A Figura 313 mostra os coeficientes de transferência de calor locais ao longo de um tubo para três níveis diferentes de temperatura para o refrigerante R22 Reflita Em um sistema de condicionamento de ar usando um evaporador que resfria ar usando refrigerante a baixa pressão e temperatura será que é necessário especificar a quantidade de refrigerante líquido que entra no evaporador ou o refrigerante poderia entrar na forma de vapor Caso o refrigerante entre no evaporador todo na forma de vapor o desem penho do evaporador será o mesmo comparado ao caso anterior 148 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos O coeficiente de transferência de calor é mais alto para uma alta tempera tura de evaporação provavelmente porque em altas temperaturas e pressões de evaporação a densidade de vapor é alta permitindo que uma fração maior do metal seja molhada com líquido Figura 313 Coeficientes de transferência de calor locais ao longo de um tubo para três níveis diferentes de temperatura para o refrigerante R22 Fonte Stoecker Jones 1985 p 285 0 02 2000 1500 1000 500 04 06 08 10 5 4 1 2 3 3 2 1 0 0 Coeficiente de transferência de calor Wm2k Distância ao longo do tubo Superaquecimento Fração de líquido vaporizado Comportamento do evaporador A partir da discussão sobre os coeficientes de transferência de calor na ebulição que tivemos nas seções anteriores esperase que o coeficiente de transferência de calor aumente à medida que a fração de vapor do refri gerante aumenta ao longo do escoamento no tubo do evaporador Essa suposição é confirmada pelo desempenho de evaporadores comerciais Assimile O aumento da fração de vapor está associado ao título Quando a fração de vapor aumenta até chegar a 1 título é igual a 1 isso significa que o refrige rante está totalmente na fase vapor ou está na região de vapor saturado Seção 32 Condensadores e evaporadores 149 A Figura 314 mostra a capacidade de refrigeração de um evaporador de resfriamento com água no qual o refrigerante muda da fase líquida à fase vapor dentro dos tubos Para uma determinada temperatura de entrada de água as linhas no gráfico de capacidade de refrigeração versus temperatura de evaporação seriam retas se o valor de U permanecesse constante Em vez disso as linhas são curvadas para cima indicando um aumento no valor de U em cargas mais intensas devido à melhoria do coeficiente de transferência de calor na ebulição Nesta seção com os conceitos aprendidos você terá a base para o conheci mento e a aplicação de condensadores e para fazer um projeto de um conden sador Além disso também terá o conhecimento sobre evaporadores ebulição no interior dos tubos e comportamento de evaporadores Mais adiante você vai aplicar o que aprendeu para resolver uma situação real da sua vida profis sional Com isso o conteúdo apresentado contribuirá para a sua formação Figura 314 Comportamento de um evaporador resfriado a água usando o refrigerante R22 Fonte Stoecker Jones 1985 p 319 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 5 0 5 10 10 oC 15 oC 20 oC 15 20 20 Kgs 16 Kgs 25 Capacidade de refrigeração kW Temperatura de evaporação oC Temperatura da água de alimentação 25 oC Vamos lembrar que você é um engenheiro que trabalha em uma fábrica de equipamentos de refrigeração e seu líder pediu para você projetar um condensador resfriado a água de 2 passes no tubo com 42 tubos de cobre no Sem medo de errar 150 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos total como mostra na Figura 37 O seu líder pede para você determinar a vazão de água a área do condensador e o comprimento de cada tubo do condensador Você sabe que o diâmetro interno do tubo é de 13 mm e o externo é de 15 mm Além disso o refrigerante será o R134a com temperatura de condensação de 48 C e temperatura dos tubos de 39 C A tempe ratura de entrada da água no condensador é de 30 C e de saída é de 38 C O calor rejeitado no condensador será de 75 kW As propriedades termofísicas do refrigerante R134a a 48 C são r 11120kg m3 m 00001273Pa s 00714 k W m K e 153330 hlv J kg A condutividade térmica do cobre é 401 kCu W m K Para a temperatura média da água de 34 C as propriedades termofísicas são r 994kg m3 4178 pc J kg K 7394 10 6 Pa s m 0623 k W m K Para resolver a problematização proposta primeiramente calcularemos o coeficiente de transferência de calor na condensação Após vamos calcular a vazão mássica da água o coeficiente de transferência de calor por convecção do lado da água o coeficiente global de transferência de calor e com a equação da taxa de transferência de calor calcularemos a área do condensador O número médio de tubos dispostos verticalmente dividido pelo número de colunas será 4 6 7 7 7 6 5 7 6 N A variação de temperatura do refrigerante entre a condensação vapor e o tubo é 48 39 9 t C D O coeficiente de transferência de calor na condensação com diâmetro externo D0015 m será 1 4 14 2 3 2 3 2 98 1112 153330 00714 0725 0725 11602 00001273 9 6 0015 lv c g h k W h m K t N D r m æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç D è ø è ø A vazão mássica é calculada usando a equação da taxa de aquecimento da água p q mc t D Ou seja Figura 37 Arranjo de 42 tubos em um condensador de 2 passes no tubo Fonte elaborada pelo autor Seção 32 Condensadores e evaporadores 151 75000 224 4178 38 30 p W q kg m s c t J kg K K D Para expressar a vazão mássica em vazão volumétrica usamos a densi dade da água obtendose 3 3 224 000225 994 kg s m m vazãovolumétrica v kg m s r Portanto a vazão volumétrica total da água é de 000225 3 m s O conden sador por passe tem 21 tubos Então a vazão volumétrica será dividida por 21 tubos Assim a velocidade média da água é 3 2 000225 0807 21 tubo por passeAreainterna 0013 21 4 m s v m V s p æ ö ç ç çè ø Agora o coeficiente de transferência de calor por convecção do lado da água será 04 08 0023 pc hD VD k k m r m æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Rearranjando a equação temos que 04 08 0023 pc k VD h D k m r m æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø Substituindo os valores temos que 08 04 2 0807 0013 994 4178 00007394 00230623 43639 0013 00007394 0623 W h m K æ ö æ ö ç ç ç ç ç ç ç ç è ø è ø O próximo passo é calcular o coeficiente global de transferência de calor pela equação 0 0 0 1 1 e c m fi i i i xA A A U h kA h A h A Temse que a resistência térmica do tubo é 2 6 0 0015 00132 0015 383 10 401 0015 0013 2 m xA m K kA W W m K é ù ê ú ë û O fator de incrustação conforme descrito nesta seção é dado por 2 1 0000176 hfi m K W 152 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Então 6 0 0 0 2 1 1 1 0015 1 0015 383 10 0000176 11602 0013 43639 0013 1 000133 75006 e c m fi i i i e e xA A A U h kA h A h A U U W m K æ ö ç ç çè ø Þ Com isso determinamos a área do condensador a partir da equação e ml q U A T D Em que DTml será 38 30 1361 ln 48 30 48 38 ln sf ef ml c ef c sf t t T K t t t t D é ù é ù ê ú ë û ë û Ou seja 2 2 75000 734 75006 1361 e ml W q A m U T W m K K D O comprimento de cada tubo é determinado a partir da área total e A pD L Então 2 42 734 0015 42 37 e L A D m m m p p Portanto a vazão mássica será de 224 kg s a área do condensador será de 734 2 m e o comprimento de cada tubo será de 37 m Veja que aplicando os conceitos e as equações desenvolvidas para o projeto de um condensador você conseguiu resolver e projetar um condensador para o sistema de refri geração Bom trabalho Projeto de um condensador resfriado a ar Descrição da situaçãoproblema Imagine você engenheiro que tem uma empresa de projetos de condensa dores Um cliente de uma empresa de refrigeração está realizando um projeto de um sistema de refrigeração para conservação de alimentos e requer que seja feito o projeto de um condensador Ele quer saber qual deverá ser a área do condensador e a temperatura de ar na saída do condensador se a troca de calor no condensador rejeição de calor do condensador for de 70 kW Avançando na prática Seção 32 Condensadores e evaporadores 153 Um ventilador deverá fornecer ar para resfriar o condensador a uma vazão mássica de 12 kg s de ar com uma temperatura de 28 C A temperatura de condensação é estimada para que seja de 45C e o coeficiente global de transferência de calor do lado do ar e U é de 382 W m2 K Considere que o calor específico do ar pc é de 10 kJ kg K Resolução da situaçãoproblema Com os dados fornecidos você pode começar a solucionar o seu problema Veja que você conhece a vazão mássica e o calor específico do ar Você sabe que o ar entra no condensador e sai do outro lado quente aumen tando a sua temperatura O calor ganho pelo ar é p sf ef q mc t t em que sf ef t t é a diferença entre a temperatura de saída e entrada do ar Então 70 28 338 12 10 sf ef p q t t C mc kg s kJ kg K A taxa de transferência de calor entre o condensador e o ar é dada por e e ml q U A T D em que o DTml é 338 28 1389 ln 45 28 45 338 ln sf ef ml c ef c sf t t T K t t t t D é ù é ù ê ú ê ú ë û ë û Conhecido o valor de DTml você pode encontrar a área externa do condensador pela seguinte equação 2 2 70000 1319 382 1389 e e ml W q A m U T W m K K D Veja que aplicando as equações de transferência de calor no conden sador você encontrou que a temperatura do ar na saída do condensador será de 338C e a área total da parte externa do condensador é igual a 1319 2 m Com esses resultados você já tem a resposta para o seu cliente 1 Os evaporadores utilizados em sistemas de refrigeração têm como objetivo resfriar ar e resfriar líquido Existem os evaporadores de expansão direta os quais são usados em aplicações de condicionamento de ar e os evaporadores de recirculação de líquido os quais são usados em refrigeração industrial Com relação aos evapora dores de expansão direta temos as seguintes afirmativas I Nesses evaporadores o refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor dentro dos tubos e resfria o fluido que passa pela parte externa dos tubos Faça valer a pena 154 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos II Nesses evaporadores o coeficiente de transferência de calor permanece constante III Esses evaporadores às vezes são usados em conjunto com compressores alter nativos A partir da avaliação das afirmativas apresentadas no textobase marque a alternativa correta a Está correta a afirmativa I apenas b Está correta a afirmativa II apenas c Está correta a afirmativa III apenas d Estão corretas as afirmativas I e II apenas e Estão corretas as afirmativas I e III apenas 2 Os condensadores podem ser resfriados a ar ou resfriados a água Um conden sador resfriado a ar tem uma área externa de 185 2 m e o coeficiente global de trans ferência de calor é de 0028 W m2 K A vazão de ar para o resfriamento do conden sador é de 66 3 m s com uma densidade do ar de 114 3 kg m e uma temperatura de condensação de 45 C Essa configuração de condensador permite uma rejeição de calor de 60 kW Considere que 10 pc kJ kg K Qual será a temperatura de entrada do ar Assinale a alternativa correta a 24 C b 29 C c 36 C d 40 C e 47 C 3 Em uma das configurações de condensadores o refrigerante escoa por fora dos tubos e o líquido de resfriamento escoa por dentro não sendo comum usar um fluido gasoso de resfriamento escoando por dentro dos tubos O fluido refrigerante R22 condensa na parte externa do tubo horizontal de um condensador multitu bular em carcaça O condensador apresenta a distribuição de tubos na vertical de 3 4 5 4 3 e o diâmetro externo do tubo é 15 mm Para esse condensador a tempera tura dos tubos é de 40 C e a temperatura de condensação de 50 C A partir das especificações apresentadas no textobase para o condensador multi tubular em carcaça elabore uma linha de raciocínio e desenvolva os cálculos para determinar qual será o coeficiente médio de transferência de calor na condensação Assuma que a viscosidade do líquido refrigerante é igual a 0000172 Pa s e a condu tividade térmica do refrigerante igual a 007545 W m K Assinale a alternativa correta Seção 32 Condensadores e evaporadores 155 a 1890 W m2 K b 880 W m2 K c 2190 W m2 K d 2850 W m2 K e 1206 W m2 K 156 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor Diálogo aberto Caro aluno você sabia que no sistema de condicionamento de ar o evaporador tem a função de trocar calor com o ar a fim de fornecêlo a uma temperatura mais baixa Por exemplo no sistema de condicionamento de ar do carro a diminuição da temperatura é conseguida graças a um elemento principal a válvula de expansão ou tubo capilar que consegue diminuir a temperatura do refrigerante fornecendo ar a uma temperatura baixa Assim quando você está no interior de um carro com o condicionador de ar ligado depois de um determinado tempo a vazão de refrigerante que entra no compressor condensador e evaporador permanece constante atingindo o ponto de equilíbrio A fim de contextualizar esses temas lembrese de que você é um engenheiro que está trabalhando em uma fábrica de equipamentos de refri geração a qual está desenvolvendo um projeto de refrigeração para a conser vação de levedura de uma indústria de cerveja Nessa etapa do projeto é importante saber as características do compressor que satisfaçam as condições de temperatura de evaporação e condensação Sendo assim o seu líder pede que você determine a capaci dade de refrigeração a potência do compressor o calor rejeitado no conden sador e as temperaturas de evaporação e condensação e sugere que seja usado um sistema de resfriamento a água para a conservação de levedura no qual a água entra no evaporador a 15 C e a temperatura ambiente do local é de 20 C Além disso como informações do compressor você tem que as constantes da capacidade de refrigeração são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 137402 460437 0061652 1118157 0001525 00109119 000040148 000026682 0000003873 c c c c c c c c c E as constantes para determinar a potência são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100618 0893222 001426 0870024 00063397 0033889 000023875 000014746 00000067962 d d d d d d d d d A vazão de água será de 2 kg s para a qual estimase que a capacidade por unidade de temperatura F seja de 939 kW K Para resolver essa etapa do projeto você poderá consultar o conteúdo correspondente ao comportamento de condensador e evaporador e à Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 157 simulação do comportamento do sistema completo Você pensa a temperatura do ar do meio ambiente é necessária para determinar o comportamento de um condensador É possível determinar o ponto de equilíbrio conhecendo as temperaturas do evaporador e de ambiente Para encontrar a resposta dessas e de outras questões você está convidado a fazer uma boa leitura deste material Dispositivos de expansão tubos capilares O dispositivo de expansão é um elemento do sistema de refrigeração que tem a finalidade de reduzir a pressão e regular a vazão do refrigerante líquido que entra no evaporador Dentre os dispositivos de expansão têmse o tubo capilar a válvula de expansão a pressão constante a válvula de boia e a válvula de expansão termostática STOECKER JONES 1985 Os tubos capilares são aplicados para sistemas de refrigeração pequenos com capacidade em torno de 10 kW A dimensão do tubo capilar é de 1 a 6 m e o diâmetro interno de 05 a 2 mm Assim o refrigerante líquido que entra no tubo capilar a alta pressão perde pressão à medida que escoa pelo interior do tubo devido à aceleração e ao atrito do líquido em relação à parede do tubo ocasionando a evaporação do refrigerante e a diminuição da sua temperatura Existem várias combinações entre o comprimento e o diâmetro do tubo para obter uma restrição desejada porém uma vez que o tubo capilar é selecionado e instalado não é possível ajustar nele as variações de pressão de descarga e de pressão de sucção ou carga Assim o compressor e o dispositivo de expansão devem chegar a condições de sucção e descarga que permitam o compressor bombear do evaporador a mesma vazão de refrigerante que o dispositivo de expansão alimenta ao evaporador Quando isso acontece é chamado de ponto de equilíbrio Válvulas de expansão Aqui vamos abordar três tipos de válvulas de expansão Válvula de expansão de pressão constante mantém uma pressão constante na sua saída ou seja na saída do evaporador Ela detecta a pressão do evapo rador e quando essa pressão cai abaixo do ponto de controle a válvula se abre mais Na Figura 315 é mostrada uma válvula de controle de pressão Quando a pressão do evaporador sobe acima do ponto de controle a válvula se fecha parcialmente O uso da válvula de expansão de pressão constante foi limitado Não pode faltar 158 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos a sistemas de capacidade de refrigeração menores que 30 kW nos quais uma carga crítica de refrigerante é viável para evitar que o líquido seja expelido do evaporador Seu principal uso é em sistemas nos quais a temperatura de evapo ração deve ser mantida em um determinado ponto para controlar a umidade ou para evitar o congelamento em refrigeradores de água A característica de limitação de nível de pressão pode ser aproveitada quando é necessária uma proteção contra a sobrecarga do compressor devido à alta pressão de sucção Válvulas de boia é um tipo de válvula de expansão que mantém o líquido a um nível constante em um reservatório ou um evapo rador Um interruptor de boia se abre comple tamente quando o nível do líquido cai abaixo do ponto de controle e se fecha completamente quando o nível atinge o ponto de controle dando o mesmo desempenho líquido que um tipo de modulação do controle de boia como visto na Figura 316 As válvulas de boia e combinações de solenoide com interruptor de boia são usadas principalmente em grandes Figura 315 Válvula de controle de pressão Fonte Stoecker Jabardo 2002 p 245 Capa Haste de ajuste Mola para ajuste da faixa de operação Assento do piloto Conexão para manômetore Diafragma Pistão de acionamento Elemento de vedação Mola para fechamento Removedor de sujeira Haste para abertura manual Figura 316 Válvula de boia Fonte httpscommonswikimedia orgwikiFileBallcocksvg Acesso em 5 fev 2019 Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 159 instalações Elas podem regular o fluxo para evaporadores inundados em resposta ao nível de refrigerante líquido no reservatório do evaporador ou em uma câmara conectada ao evaporador Não devem ser usadas em evapo radores de tubo contínuo nos quais é impossível estabelecer um nível de refrigerante líquido pelo qual eles possam ser controlados Válvula de expansão controlada por superaquecimento termostá tica o tipo mais popular de dispositivo de expansão para sistemas de refri geração de tamanho moderado é a válvula controlada por superaquecimento também conhecida como válvula de expansão termostática O nome pode induzir a erros de interpretação uma vez que o controle é acionado não pela temperatura no evaporador mas pela magnitude do superaquecimento do gás de sucção que sai do evaporador A válvula de expansão de superaque cimento regula a taxa de fluxo do refrigerante líquido proporcionalmente à taxa de evaporação no evaporador A operação da válvula mantém uma quantidade aproximadamente constante de líquido no evaporador porque se a quantidade de líquido diminui a superfície do evaporador fica mais exposta para superaquecer o refrigerante abrindo mais a válvula Figura 317 Válvula de expansão termostática Fonte adaptada de Stoecker Jabardo 2010 p 247 1 Diafragma 2 Conjunto do orifício no caso intercambiável 3 Corpo de válvula 4 Parafuso de regulagem da pressão da mola 5 Conexão para a linha de equalização externa 160 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Compressor alternativo A influência da temperatura sobre a capacidade de refrigeração e potência de um compressor pode ser observada na Figura 318 que foi obtida de um catálogo de fabricante para um determinado compressor Temos que a curva da parte superior da figura corresponde à capacidade de refrigeração do evaporador Embora o compressor não tenha capacidade de refrigeração ele é capaz de comprimir o refrigerante permitindo essa capacidade de refri geração no evaporador Já as linhas inferiores correspondem à potência do compressor Uma maneira de representar matematicamente a família de dados da Figura 318 tanto para a capacidade de refrigeração quanto para a potência é mediante as seguintes equações 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 31 32 e e e c c e c e c e c e c e e c c e c e c e c e c q c c t c t c t c t c t t c t t c t t c t t P d d t d t d t d t d t t d t t d t t d t t Em que c e d são constantes eq é a capacidade de refrigeração kW P é a potência requerida pelo compressor kW et é a temperatura de evapo ração C e ct é a temperatura de condensação C Com base nos dados de variação da capacidade de refrigeração e potência em função da temperatura de evaporação para um compressor como mostrado na Figura 318 podem ser determinadas as constantes c e d por procedimento de ajuste de variáveis tal como o método dos mínimos quadrados ou escolhendo entre seis a nove pontos da Figura 318 tanto para a capacidade de refrigeração eq quanto para a potência P substituindo esses valores nas equações de eq e P e resolvendo as equações simultaneamente A Tabela 33 mostra as variáveis ajustadas para a capacidade de refrigeração e para a potência Figura 318 Capacidade de refrigeração e potência do compressor hermético com refrigerante 22 Fonte Stoecker Jones 1985 p 313 Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 161 As constantes c e d para a Figura 318 estão dadas na Tabela 33 Conhecendo a capacidade de refrigeração e a potência do compressor também é importante conhecer a taxa de rejeição de calor no condensador cq Os catálogos de compressores trazem essa informação e consideram que a taxa de rejeição de calor no condensador é a soma da capacidade de refrigeração taxa de calor no evaporador e potência do compressor Assim 33 c e q q P kW Para encontrar o valor de cq um valor de temperatura de evaporação et é fixado e então para diferentes valores de ct calculase eq P e finalmente cq como mostra a Figura 319a Comportamento do condensador Como o refrigerante que sai do compressor entra no condensador supera quecido após iniciar a condensação a fração de líquido e vapor vai mudando constantemente tornando complexa a representação do comportamento do condensador No entanto uma representação do comportamento de um condensador resfriado a ar é obtida assumindo que a efetividade do trocador de calor é constante assim c c amb q F t t Para a simulação matemática do comportamento do condensador o valor de ct é calculado por 34 c c amb t q F t Tabela 33 Constantes c e d das equações de eq e P para a Figura 318 Fonte Stoecker Jones 1985 p 314 1 2 3 4 5 6 7 8 9 137402 460437 0061652 1118157 0001525 00109119 000040148 000026682 0000003873 c c c c c c c c c 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100618 0893222 001426 0870024 00063397 0033889 000023875 000014746 00000067962 d d d d d d d d d 162 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Em que F é a capacidade por unidade de temperatura kW K e tamb a temperatura ambiente C O comportamento de um condensador resfriado a ar pode ser visto na Figura 319b Esta figura é obtida com base em dados de catálogo de fabri cante considerandose que 939 F kW K Veja que a taxa de rejeição de calor aumenta conforme aumenta a temperatura de condensação para as cinco temperaturas ambientes Reflita A representação do comportamento de um condensador resfriado a ar assumindo que a efetividade do trocador de calor é constante é feita frequentemente E essa representação é satisfatória Vale ressaltar que a diferença entre os gráficos é que um é obtido para diferentes temperaturas de evaporação e o outro para diferentes tempera turas ambiente Imagine um compressor recebendo vapor a baixa pressão do evaporador que é logo comprimido e enviado para um condensador a alta pressão dado que o refrigerante condensa e segue para o sistema de expansão Veja então que quando et varia a capacidade de refrigeração também varia resultando em uma alteração de ct Portanto se juntamos as Figuras 316a e 316b é possível quantificar o comportamento de uma unidade de condensação Figura 319 a Taxa de rejeição de calor de um compressor hermético usando refrigerante 22 b comportamento do condensador resfriado a ar operando com refrigerante 22 Fonte Stoecker Jones 1985 p 315316 Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 163 em um determinado ponto de equilíbrio formado pela combinação do compressor e condensador como visto na Figura 320 Nesta figura temos cinco pontos de equilíbrio O ponto de equilíbrio indica que a taxa de rejeição de calor no compressor e as temperaturas de condensação no condensador são satisfeitas simulta neamente Por exemplo para um ponto de equilíbrio com temperatura de evaporação de 10 C a temperatura de condensação será de 508 C E então a taxa de rejeição de calor eq pode ser encontrada Figura 320 Pontos de equilíbrio do compressor e condensador Fonte Stoecker Jones 1985 p 316 Um método moderno de análise de sistemas é a simulação de sistemas baseada na solução de equações simultâneas a fim de se encontrar o compor tamento de um sistema Assimile Em análise de sistemas a interseção de duas curvas que determina o ponto de equilíbrio mostranos que esse ponto é a solução de equações simultâneas que representam o comportamento característico de todos os componentes de um sistema 164 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Comportamento do evaporador O comportamento de um evaporador pode ser mostrado na forma de gráfico conforme a Figura 321 referente a um evaporador que utiliza refri gerante R22 para resfriamento de água Exemplificando No ponto de equilíbrio a temperatura de evaporação é de 10 C e a de condensação é de 508 C Qual será a capacidade de refrigeração Solução substituindo as constantes 1 c a 9 c da Tabela 33 e como 10 et C e 508 ct C na equação da capacidade de refrigeração eq temse que 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 115404 e e e c c e c e c e c e c e q c c t c t c t c t c t t c t t c t t c t t q kW Concluise que para as temperaturas de evaporação de 10 C e conden sação de 508 C a capacidade de refrigeração é de 1154 kW Como pode ser visto na Figura 321 a capacidade de refrigeração aumenta quando a temperatura de evaporação diminui para diferentes temperaturas de água de alimentação Pense que se o valor de U coeficiente global de transferência de calor for constante as curvas seriam linhas retas Portanto como as linhas da Figura 321 são curvas isso indica que se o valor de U Figura 321 Capacidade de refrigeração de um resfriador de água que utiliza refrigerante R22 Fonte Stoecker Jones 1985 p 319 Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 165 aumenta a capacidade de refrigeração também aumenta Para realizarmos uma simulação matemática é necessário conhecer a função da capacidade do evaporador Para a Figura 321 considerando uma vazão de alimentação de 20 kg s temse a seguinte equação 60 1 0046 e we e we e q t t t t é ù ê ú ë û Na qual twe é a temperatura de entrada da água C Para simulação do sistema completo o valor de et é calculado pela equação anterior Isolando et temse 2 2 0046 1 0092 0046 6 0 35 e e w we we e t t t t t q Simulação do comportamento do sistema completo Essa simulação matemática é feita simultaneamente para o compressor para o condensador e para o evaporador A sequência de cálculos é feita usando as Equações 31 32 33 34 e 35 como mostra a Figura 322 Primeiramente são inicializados valores aleatórios de et e ct e fixadas as temperaturas twe e tamb para as quais será feita a simulação Então calcu lamse eq P e cq Após calculados eq e cq são recalculadas as tempera turas et e ct e comparadas com as temperaturas inicializadas et e ct Se não forem iguais então as temperaturas recalculadas e calc t e c calc t adotam o novo valor de et e ct e novamente o processo de cálculo é efetuado até a que se obtenha a convergência das temperaturas de evaporação e condensação isto é quando as temperaturas não variarem mais ou seja permanecem constantes Após a obtenção da convergência são reportados os valores de e c e e c t t q q P simulados Figura 322 Diagrama de blocos da simulação do sistema completo Fonte elaborada pelo autor 166 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Podemos entender que a simulação do sistema completo incluindo evaporador condensador e compressor fornece informações importantes para um projeto de refrigeração Exemplificando Para um resfriador de água no qual a temperatura de entrada de água é de 20 C e a temperatura ambiente é de 35 C determinar e c e e c t t q q P Solução temos que a Figura 322 mostra o procedimento de cálculo Portanto devese inicializar os valores de temperatura c e e t t e calcular eq Eq 31 e P Eq 32 Com tamb 35 C e 939 F kW K calcu lase cq Com a Eq 34 calculase o valor de c calc t e com a Eq35 e twe 20 C calculase o e calc t As temperaturas ajustadas c calc t e c calc t são adotados como novas temperaturas c e e t t e novamente são feitos os cálculos de eq cq e P Esse procedimento é usado até que as temperaturas c calc t e c calc t permaneçam constantes Os resultados são mostrados na Tabela 34 P 1500 4000 15800 2615 459 18415 5461 459 5461 8762 3184 1000 11946 4772 1000 4772 12045 3095 732 15141 5112 732 5112 10351 3177 866 13529 4941 866 4941 11185 3145 799 14330 5026 799 5026 10765 3164 833 13929 4983 833 4983 10974 3155 816 14129 5005 816 5005 10869 3159 824 14029 4994 824 4994 10922 3157 820 14079 4999 820 4999 10896 3158 822 14054 4997 822 4997 10909 3158 821 14066 4998 821 4998 10902 3158 822 14060 4997 822 4997 10905 3158 821 14063 4998 821 4998 10904 3158 822 14062 4998 Tabela 34 Resultados dos cálculos de e c e e c t t q q P Fonte elaborada pelo autor et ct eq e calc t cq c calc t Veja que os valores de et e ct não variam conforme cálculos mostrados nas últimas filas da Tabela 34 Então concluise que 821 et C 4998 ct C 10904 eq kW 3158 P kW 14062 cq kW Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 167 Lembrese de que você é um engenheiro que está trabalhando em uma fábrica de equipamentos de refrigeração e foi indicado pelo seu líder para resolver um problema de um projeto de refrigeração para a conservação de levedura de cerveja O seu líder precisa saber qual será a capacidade de refri geração a potência do compressor a taxa de rejeição de calor no conden sador e as temperaturas de evaporação e de condensação Você sabe que para o resfriamento da levedura será usado um sistema de resfriamento a água Para isso você tem a informação de que a temperatura da água entrando no evaporador é de 15 C e a temperatura ambiente é de 20 C Das carac terísticas do compressor você sabe que as constantes para a capacidade de refrigeração são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 137402 460437 0061652 1118157 0001525 00109119 000040148 000026682 0000003873 c c c c c c c c c E as constantes para a potência do compressor são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100618 0893222 001426 0870024 00063397 0033889 000023875 000014746 00000067962 d d d d d d d d d A vazão de água será de 2 kg s e para essa vazão a capacidade por unidade de temperatura F é de 939 kW K Resolução Para você determinar os dados que foram solicitados pelo seu líder e sabendo que a temperatura da água e a do meio ambiente são constantes vamos fazer uma simulação e resolver o conjunto de equações simultanea mente ajustando os valores de et e ct de modo que satisfaçam a capacidade de refrigeração e a taxa de rejeição de calor no condensador Podemos usar uma planilha de cálculo do Excel para realizar os cálculos O primeiro passo primeira iteração é calcular a capacidade de refrige ração usando a seguinte equação 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 e e e c c e c e c e c e c q c c t c t c t c t c t t c t t c t t c t t Veja que a temperatura de evaporação et e de condensação ct são dois dados que precisam ser determinados Portanto para a simulação vamos inicializar chutar aleatoriamente a temperatura de evaporação como 15 et C e a temperatura de condensação de 40 ct C Substituindo na equação temos que 2 2 2 2 2 2 137402 46043715 006165215 111815740 000152540 001091191540 00004014815 400000266821540 000000387315 40 1580 e e q q kW Sem medo de errar 168 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Simultaneamente a potência do compressor é determinada pela equação 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 e e c c e c e c e c e c P d d t d t d t d t d t t d t t d t t d t t 2 2 2 2 2 2 100618 089322215 00142615 087002420 0006339720 00338891520 00002387515 20 0000147461520 0000006796215 20 2615 P P kW Após a taxa de calor rejeitado no condensador é calculada pela equação 18415 c e c q q P q Agora vamos calcular as temperaturas de condensação e de evaporação usando as seguintes equações 18415 20 3461 939 c c c amb c amb c c q q F t t t t t t C F Þ Þ 60 1 0046 e we e we e q t t t t é ù ê ú ë û onde et é 2 2 2 2 0046 1 0092 0046 6 0 0046 1 009215 004615 1500 6 0 e e we we we e e e we t t t t t q t t t Resolvendo a equação temos que 041 et C Como os valores calculados de 3461 ct C e 041 et C são diferentes dos valores iniciais de 40 ct C e 15 et C então realizamos uma segunda iteração em que os novos valores iniciais serão de 041 et C e 3461 ct C e calculamos e e c c e q P q t t até obtermos a convergência isto é até o momento em que as temperaturas de condensação e evaporação não variem O resultado da simulação e os dados calculados são apresentados na Tabela 35 Tabela 35 Dados calculados da simulação do sistema completo Iteração C C kW P kW kW C C 1 1500 4000 15800 2615 18415 3461 041 2 041 3461 9528 2348 11876 2765 434 3 434 2765 12414 1962 14375 3031 204 4 204 3031 11054 2149 13203 2906 310 5 310 2906 11670 2069 13739 2963 261 6 261 2963 11386 2107 13492 2937 283 7 283 2937 11516 2089 13605 2949 273 et et ct ct eq cq Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 169 Segundo a Tabela 35 a partir da iteração número 13 praticamente todas as variáveis permanecem constantes Portanto podemos concluir que para as condições iniciais de tempera tura da água e do meio ambiente a temperatura de evaporação no evapo rador será de 276 C a temperatura de condensação será de 2945 C a capacidade de refrigeração será de 11475 kW a potência do compressor será de 2095 kW e finalmente a taxa de rejeição de calor no condensador será de 13570 kW Veja que aplicando a teoria e utilizando as equações apresentadas nesse material é possível encontrar a solução de muitos problemas usando o método de simulação matemática para um sistema completo Iteração C C kW P kW kW C C 8 273 2949 11456 2097 13554 2943 278 9 278 2943 11484 2094 13577 2946 276 10 276 2946 11471 2095 13566 2945 277 11 277 2945 11477 2095 13571 2945 276 12 276 2945 11474 2095 13569 2945 276 13 276 2945 11475 2095 13570 2945 276 14 276 2945 11475 2095 13570 2945 276 Fonte elaborada pelo autor et et ct ct eq cq Avaliação do comportamento de um evaporador Descrição da situaçãoproblema Vamos imaginar que você seja um engenheiro que trabalha em uma empresa de consultoria de processos e sistemas de refrigeração O seu líder tem um projeto de resfriamento de água a ser desenvolvido para o qual precisa saber a temperatura de evaporação do resfriador O seu líder pede que você determine a temperatura de evaporação com base na temperatura de condensação de 45 C considerando que a temperatura da água que entra no resfriador é de 20 C a uma vazão de 20 kg s As constantes para a capacidade calorífica são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 137402 460437 0061652 1118157 0001525 00109119 000040148 000026682 0000003873 c c c c c c c c c Avançando na prática 170 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos Resolução da situaçãoproblema Vamos resolver usando o método de ajuste da temperatura de evapo ração Esse método pode ser implementado em uma planilha de cálculo do Excel e mediante o cálculo de equações é possível determinar o valor de et Primeiramente mantenha como constantes 45 ct C e 20 twe C Vamos inicializar com um valor aleatório de et por exemplo 5 et C Então calculase eq a partir da seguinte equação 2 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 e e e c c e c e c e c e c q c c t c t c t c t c t t c t t c t t c t t Com o valor de eq calculamos o novo valor de et da seguinte equação 2 2 60 1 0046 0046 1 0092 0046 6 0 e we e we e e e w we we e Se q t t t t Então t t t t t q é ù ê ú ë û A equação de segundo grau pode ser resolvida usando o método de Bhaskara Portanto esse novo valor de et calculado é substituído pelo valor aleatório inicialmente escolhido e novamente determinamos outro novo valor de et calculado Esse procedimento é realizado até que o valor de et calculado seja igual ou não varie muito em relação ao valor de et do passo anterior A partir da resolução desse sistema de equações temos a Tabela 36 mostrando os resultados Tabela 36 Resultados do comportamento do evaporador com 45 ct C e 20 twe C Passo calculado 1 1500 8221 1047 2 1047 19239 232 3 232 14840 526 4 526 16333 423 5 423 15796 459 6 459 15985 446 7 446 15918 451 8 451 15942 449 9 449 15933 450 10 450 15936 450 11 450 15935 450 12 450 15936 450 et eq et Fonte elaborada pelo autor Seção 33 Dispositivos de expansão e análise do sistema de compressão a vapor 171 Veja que a partir do passo 10 a temperatura inicial e a calculada no passo anterior são iguais e a capacidade de refrigeração permanece constante Portanto com os resultados obtidos você pode concluir que a temperatura de evaporação será de 450 C e a capacidade de refrigeração será 15936 kW 1 O dispositivo de expansão faz parte dos elementos básicos do ciclo de compressão a vapor juntamente com o compressor o condensador e o evaporador e tem duas finalidades diminuir a pressão do refrigerante líquido e controlar a vazão do refrige rante que entra no evaporador Seu principal uso é em sistemas em que a temperatura de evaporação deve ser mantida em um determinado ponto para controlar a umidade ou para evitar o congelamento em refrigeradores de água Qual é o dispositivo de expansão que tem o seu principal uso em situações em que se deve manter a temperatura de evaporação para controlar a umidade Assinale a resposta correta a A válvula de expansão de pressão constante b A válvula de boia c A válvula de expansão termostática d O tubo capilar e A válvula de expansão elétrica 2 Em um processo de compressão e condensação de refrigerante com temperaturas de evaporação e ambiente conhecidas quando a temperatura de condensação varia então a taxa de rejeição de calor no compressor também varia até que as tempera turas de evaporação e ambiente se interceptem Nesse ponto de intercepção dizse que é alcançado o ponto de equilíbrio Assim para um ponto de equilíbrio com uma temperatura de evaporação de 5 C e temperatura ambiente de 35 C a temperatura de condensação é de 487 C e o calor rejeitado no condensador é de 129 kW As constantes da equação de potência para o compressor são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100618 0893222 001426 0870024 00063397 0033889 000023875 000014746 00000067962 d d d d d d d d d Para o ponto de equilíbrio descrito no textobase qual será a potência do compressor Assinale a alternativa correta a 358 kW b 453 kW Faça valer a pena 172 U3 Sistemas de refrigeração equipamentos c 204 kW d 301 kW e 271 kW 3 Para descrever o comportamento de um sistema é necessário resolver um conjunto de equações de modo que a solução satisfaça os componentes do sistema Assim um compressor operando com uma temperatura de evaporação de 0 C e uma temperatura ambiente de 30 C tem suas características definidas pela capaci dade de refrigeração e pela potência do compressor Para determinado compressor as constantes para estabelecer a capacidade de refri geração são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 137402 460437 0061652 1118157 0001525 00109119 000040148 000026682 0000003873 c c c c c c c c c As constantes para determinar a potência do compressor são 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100618 0893222 001426 0870024 00063397 0033889 000023875 000014746 00000067962 d d d d d d d d d Além disso a constante da capacidade por unidade de temperatura F é igual a 939 kW K De acordo com as características do compressor elabore uma linha de raciocínio e desenvolva os cálculos para determinar a temperatura de condensação Assinale a alternativa correta a 421 C b 357 C c 462 C d 571 C e 291 C BERGMAN T L et al Fundamentos de transferência de calor e massa Tradução Fernando Luiz Pellegrini Pessoa Eduardo Mach Queiroz Rio de Janeiro LTC 2017 694 p MILLER R MILLER M R Arcondicionado e refrigeração Tradução Alberto Hernandez Neto Arlindo Tribess Flávio Augusto Sanzovo Fiorelli 2 ed Rio de Janeiro LTC 2017 MORAN M J et al Princípios de termodinâmica para engenharia Tradução de Robson Pacheco Pereira Gisele Maria Ribeiro Vieira Paulo Pedro Kenedi Fernando Ribeiro da Silva 8 ed Rio de Janeiro LTC 2018 862 p STOECKER W F JABARDO J M S Refrigeração industrial 2 ed São Paulo Blücher 2002 STOECKER W F JONES J W Refrigeration and air conditioning 2 ed New York McGraw Hill Publishing Company 1983 464p STOECKER W F JONES J W Refrigeração e arcondicionado Tradução de José M Saiz Jabardo Euryale Zerbine Silvio de Oliveira Júnior e Saburo Ikeda São Paulo McGrawHill do Brasil 1985 481p Referências Unidade 4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Convite ao estudo Olá aluno Cada vez mais são necessários sistemas de refrigeração mais eficientes e com menor consumo de energia e portanto algumas mudanças nos ciclos de refrigeração podem tornar possíveis estes propósitos Unidades de refri geração por absorção tiveram grande aplicação como resfriadores de água para condicionamento de ar de edifícios e hoje em dia as bombas de calor são utilizadas para o aquecimento e condicionamento de ar em lugares frios Nesta unidade buscaremos desenvolver competências que o leve a conhecer e aprender o desempenho dos componentes de um sistema de refrigeração Para conhecer um pouco mais sobre o sistema de refrigeração industrial unidades de absorção e bombas de calor assim como também reservatórios e normas de segurança um estudo mais detalhado deste material permitirá entender como a teoria pode ser aplicada a problemas práticos Assim o conteúdo deste material ajudará você a abordar diferentes problemas que você poderá encontrar ao longo da sua vida profissional Para entender melhor e aplicar a teoria apresentada neste material vamos trabalhar com situações nas quais você terá a habilidade e capacidade de encontrar as soluções Para isso vamos imaginar que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de sistemas de refrigeração que está desenvolvendo um projeto para uma indústria de fabricação de suco concentrado no qual no final do processo de evaporação concentração e pasteurização do suco é neces sário o seu resfriamento para logo ser embalado e conservado em sistema de refrigeração Assim como primeiro ponto um grupo de engenheiros do qual você faz parte quer desenvolver um projeto de refrigeração multipressão para a conservação do suco com resfriamento intermediário usando refri gerante R134a e comparar com um sistema sem resfriamento intermediário a fim de verificar a possibilidade da diminuição do consumo de energia do compressor uma vez que com sistemas de refrigeração com resfriamento intermediário utilizando amônia é possível economizar energia consumida pelo compressor Como segundo ponto a empresa que você trabalha está realizando um projeto de uma torre de resfriamento para o resfriamento da água procedente da unidade de pasteurização do concentrado de suco e aqui será necessário avaliar qual será a temperatura de saída do ar na parte superior da torre de resfriamento Finalmente como terceiro ponto a equipe de engenheiros deverá implementar as normas de segurança da indústria assim como também deverá realizar o plano de segurança do sistema de refrigeração no qual incluem os vasos de pressão válvulas dispositivos de alívio detecção de vazamentos e proteção de incêndios nas câmaras de refri geração usando as normas NBR e ANSIASHRAE que abordam procedi mentos de segurança em instalações frigoríficas Diante deste contexto algumas questões foram levantadas como poderia ser aproveitado o refrigerante líquido condensado no condensador para resfriar o gás sendo comprimido pelo compressor Será possível utilizar água como resfriamento intermediário para sistemas de refrigeração Na primeira seção desta unidade será tratado conteúdos como o sistema multipressão em refrigeração industrial separador de líquido e resfria mento intermediário assim como o coeficiente de eficácia em um Ciclo de Absorção Ideal Na segunda seção serão abordados tipos e dimensionamento de bombas de calor torres de resfriamento e Condensadores Evaporativos e Resfriadores A terceira seção tratará sobre reservatórios e separadores de líquido acumulador de aspiração e segurança vasos de pressão tubulações e válvulas e serão abordados também os dispositivos de alívio e proteção contra incêndios em câmaras refrigeradas detecção de vazamentos e descarga de amônia Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 177 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais Diálogo aberto Caro Aluno Como você sabe o sistema de refrigeração tem um nível de alta pressão após o compressor e outro de baixa pressão após a válvula de expansão sendo que nos sistemas de refrigeração por multipressão podemos encontrar dois ou mais níveis de baixa pressão Por exemplo uma utilização industrial do sistema de dois níveis teria um nível para manter o evaporador a 30 C para o congelamento de alimentos e outro nível para manter o evaporador a 0 C para conservação de laticínios Ou seja estes sistemas são aplicados para manter duas diferentes tempe raturas no evaporador num sistema de refrigeração Outro sistema de refrigeração de grande importância é o ciclo de absorção que utiliza uma solução aquosa como por exemplo água e amônia Este ciclo já foi utili zado em refrigeradores domésticos e atualmente é utilizado em grandes instalações industriais Uma vez que conhecemos o fundamento teórico de um sistema de refrigeração para colocarmos estes assuntos em prática vamos imaginar que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de sistemas de refrigeração Um grupo de engenheiros do qual você faz parte está desenvolvendo um projeto de refrigeração para uma indústria de fabri cação de sucos concentrados O seu líder pede para você desenvolver um projeto de um sistema de refrigeração multipressão com resfriamento intermediário com refrigerante líquido R134a com compressão em dois estágios e comparar com um sistema sem resfriamento intermediário a fim de verificar a possibilidade da diminuição do consumo de energia do compressor uma vez que sabese que utilizando sistemas de refrigeração com resfriamento intermediário usando amônia é possível economizar a energia consumida pelo compressor O sistema de resfriamento interme diário por refrigerante líquido é mostrado na Figura 41a e o diagrama de pressãoentalpia para um sistema de resfriamento intermediário é mostrado na Figura 41b Seção 41 178 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Figura 41 a sistema de refrigeração com resfriamento intermediário b diagrama pressão entalpia do sistema de refrigeração Fonte Elaborado pelo autor Você sabe que a vazão do refrigerante R134a saindo do evaporador do sistema de refrigeração multipressão é de 15 kg s de vapor saturado a 100 kPa e deve ser comprimido no primeiro estágio a 400 kPa e no segundo estágio a 900 kPa Será que o uso do refrigerante R134a e qualquer outro poderá diminuir o consumo de energia no compressor usando o sistema com resfriamento intermediário por refrigerante líquido Para um sistema de refrigeração poderia ser utilizado o resfriamento intermediário com trocador de calor resfriado a água Estas e outras questões que podem vir ao longo da solução deste problema você pode resolvêlas lendo este material consultando os tópicos referentes a sistemas multipressão em refrigeração industrial separador de líquido e resfriamento intermediário Com o conhecimento e fundamento teórico é possível resolver diferentes problemas E é por isso que convido você para ler este material o qual trará maior infor mação para sua vida profissional Não pode faltar Sistemas multipressão em refrigeração industrial Um sistema multipressão é um sistema de refrigeração que possui dois ou mais níveis de baixa pressão que é a pressão do refrigerante entre a válvula de expansão e a entrada do compressor Um sistema multipressão é diferenciado do sistema de pressão única que tem apenas um nível de baixa pressão STOECKER e JONES 1985 Podemos encontrar um sistema multipressão por exemplo em uma fábrica de laticínios na qual um evaporador opera a 35 C para solidificar o sorvete enquanto outro evaporador opera a 2 C para resfriar o leite Outra aplicação típica pode Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 179 estar em uma indústria de processo em que um arranjo de compressão de dois ou três estágios alimenta um evaporador operando a uma tempera tura baixa de 20 C ou inferior Aqui consideraremos apenas sistemas multipressão com dois níveis de baixa pressão sendo que os princípios que serão apresentados aqui podem ser aplicados a sistemas com mais de dois níveis de baixa pressão Duas funções que integram os sistemas multipressão são o separador de líquido e o resfriador intermediário os quais serão discutidos a seguir Separador de líquido Uma economia de energia em um sistema de refrigeração é gerada caso o gás flash denominação dada ao gás formado no processo de estrangulamento entre o condensador e o evaporador for removido e recomprimido antes da expansão completa Quando o líquido saturado se expande através de uma válvula de expansão a fração de vapor ou gás flash aumenta progressivamente O processo de expansão está mostrado no diagrama pressãoentalpia Figura 42a e ocorre de 1 a 2 Figura 42 a Processo de expansão substituição do processo 32 pela combinação de 45 e 67 b Separador de líquido para remoção de gás flash durante o processo de expansão À medida que o processo de expansão ocorre o refrigerante segue para uma região de maior fração de vapor O ponto final da expansão 2 poderia ter sido alcançado interrompendo a expansão em 3 e separando as fases líquida e vapor que são 4 e 6 respetivamente A expansão poderia então continuar expandindo o líquido em 4 e o vapor em 6 até a pressão final resultando nos pontos 5 e 7 respectivamente Entre os estados 5 e 7 do refrigerante encontrase o estado 2 Segundo os estados 6 a 7 podese verificar que não é possível acontecer a expansão do refrigerante pois em primeiro lugar no estado 7 não existe refrigeração e em segundo lugar seria necessário um compressor para comprimir o vapor refrigerante do estado 7 ao estado 6 180 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Reflita Entre os estados 6 e 7 da Figura 42a seria possível realizar parte da expansão separando o líquido do vapor continuar expandindo o líquido e recomprimir o vapor O equipamento necessário para conseguir essa separação é chamado de separador de líquido Figura 42b A expansão de 1 a 3 ocorre através de uma válvula de boia que serve para manter um nível constante no separador de líquido No ponto 6 é necessário um compressor para recom primir o vapor O separador de líquido deve separar o refrigerante líquido do vapor A separação ocorre quando a velocidade ascendente do vapor é baixa o suficiente para que as partículas líquidas caiam retornando ao tanque Normalmente velocidades de vapor inferiores a 1 ms fornecerão uma separação adequada Esta velocidade é encontrada dividindo a vazão volumétrica do vapor pela área da superfície do líquido A maneira mais eficiente de remover o gás flash seria separar o vapor continuamente à medida que se forma e recomprimilo imediatamente Porém nenhum meio prático ainda foi desenvolvido para se conseguir isso Resfriamento intermediário O resfriamento intermediário entre dois estágios de compressão reduz o trabalho de compressão por quilograma de vapor Na compressão de ar em dois estágios por exemplo um resfriamento intermediário do ponto 2 para o 4 no diagrama de pressãodeslocamento Figura 43a economiza algum trabalho Se os processos forem reversíveis a economia é represen tada pela área formada na Figura 43a Podemos ver a compressão com resfriamento intermediário de um refrigerante no diagrama pressãoentalpia mostrado na Figura 43b Os processos 123 e 45 estão nas linhas de entropia constante mas o processo 23 cai em uma curva mais plana do que o processo 45 Entre as mesmas duas pressões portanto o processo 45 mostra um aumento menor na entalpia o que indica que uma quantidade menor de trabalho é necessária comparando com o processo 23 Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 181 Figura 43 a Resfriamento intermediário em uma compressão de dois estágios b Resfria mento intermediário de um refrigerante em compressão de dois estágios O resfriamento intermediário em um sistema de refrigeração pode ser realizado com um trocador de calor refrigerado a água ou usando refrigerante Figura 44 a e b O resfriador intermediário refrigerado a água pode ser utilizado para compressão de ar de dois estágios mas para a compressão de refrigerante seria necessário de um líquido suficien temente frio Assim o refrigerante líquido procedente do condensador seria usado para o resfriamento intermediário como mostra a Figura 44b Figura 44 Resfriamento intermediário com a um trocador de calor resfriado a água e b refrigerante líquido Assimile Há um método alternativo o qual usa refrigerante líquido do conden sador para fazer o resfriamento intermediário O gás de descarga do compressor de estágio baixo borbulha através do líquido no resfriador intermediário O refrigerante deixa o resfriador intermediário em 4 como vapor saturado O resfriamento intermediário com refrigerante Fonte Stoecker e Jones 1985 p 344 Fonte Stoecker e Jones 1985 p 343 Fonte Adaptado de Stoecker e Jones 1985 p 342 182 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor líquido normalmente diminuirá a energia total requerida quando a amônia for o refrigerante mas não quando os refrigerantes R12 ou R22 forem usados Coeficiente de eficácia de um ciclo de absorção ideal Podemos ver o ciclo básico de absorção na Figura 45 usando uma solução aquosa de brometo de Lítio LiBrágua na qual temos o conden sador o evaporador e a operação de compressão se dá pela montagem na metade esquerda do diagrama Um ciclo de absorção pode usar uma solução de LiBrágua onde o LiBr é o absorvente e a água o refrigerante ou uma solução aquosa de amônia onde a água é o absorvente e a amônia o refrigerante Conforme a Figura 45 o vapor de baixa pressão do evapo rador é absorvido pela solução de LiBr no absorvedor A temperatura da solução aumentaria e eventualmente a absorção de vapor cessaria caso este processo de absorção fosse executado adiabaticamente isto é sem a transferência de calor entre o sistema e o ambiente externo No processo de absorção o absorvedor é resfriado pela água ou pelo ar que acaba por rejeitar esse calor para a atmosfera A bomba recebe líquido de baixa pressão que vem do absorvedor eleva sua pressão e transporta o líquido ao gerador No gerador o calor de uma fonte de alta temperatura libera o vapor que foi absorvido pela solução A solução líquida retorna ao absorvedor através de uma válvula redutora de pressão cuja finalidade é fornecer uma queda de pressão para manter a diferença de pressão entre o gerador e o absorvedor Figura 45 Ciclo básico de absorção para uma solução de LiBrágua Fonte Adaptado de Stoecker e Jones 1985 p 362 Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 183 Dados de entalpias de soluções de trabalho precisam estar disponíveis e são utilizadas para realizarmos cálculos térmicos para um ciclo de refri geração por absorção e um diagrama típico para soluções de LiBrágua está apresentado na Figura 46 Figura 46 Entalpia de soluções de LiBrágua Fonte Stoecker e Jones 1985 p 368 Exemplificando Determine a vazão em massa de água refrigerante através do gerador e condensador 3 m no ciclo de refrigeração por absorção conforme mostrada na Figura 45 e a taxa de calor adicionada ao gerador gq considerando que a bomba libera 05 kgs e a tempe ratura do gerador é 90 C do condensador é igual a 35 C do evapo rador é 10 C e do absorvedor é 25 C Dados Para uma temperatura de saturação de água pura de 35 C temse a pressão de vapor igual a 562 kPa e a porcentagem em massa de LiBr na solução é de 653 Para uma temperatura de saturação de água pura de 10 C temse a pressão de vapor igual a 123 kPa e a porcentagem em 184 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor massa de LiBr na solução é de 45 Solução Para fazermos o cálculo da vazão em massa temos que fazer os balanços de massa usando as concentrações de LiBr na solução de acordo com os dados apresentados no enunciado Temos que lembrar que existem duas pressões diferentes no sistema pressão baixa no absorvedor e no evaporador 123 kPa e pressão alta no gerador e no condensador 562 kPa Então podemos fazer dois balanços de massa em torno do gerador 1 2 3 1 1 2 2 2 05 05045 0653 Balançodevazãoemmassatotal m m m BalançodoLiBr m x m x m Resolvendo as equações simultaneamente temos 2 3 0344 0156 m kg s e m kg s Agora para o cálculo da taxa de calor adicionada ao gerador gq usaremos os dados de entalpia da Figura 46 Então 1 2 a 25 e 45 160 a 90 e 653 68 C x h kJ kg C x h kJ kg A entalpia da água no estado de vapor saturado a partir das tabelas de vapor saturado STOECKER e JONES 1985 p 456 é 3 26601 h kJ kg A taxa de transferência de calor adicionada ao gerador gq pelo balanço de energia é dada por 3 3 2 2 1 1 015626601 0344 68 05 160 47159 g g q m h m h m h q kW Portanto a vazão em massa de água refrigerante através do gerador e condensador 3 m no ciclo de refrigeração por absorção é igual a 0156 kgs e a taxa de calor adicionada ao gerador gq é igual a 47159 kW O padrão para o fluxo de calor de e para os quatro componentes de troca de calor no ciclo de absorção é que o calor de alta temperatura entra no gerador enquanto o calor de baixa temperatura da substância que está sendo refrigerada entra no evaporador A rejeição do calor do ciclo ocorre no absorvedor e no condensador a temperaturas tais que o calor possa ser rejeitado para a atmosfera O coeficiente de eficácia do ciclo de absorção ideal também é conhe cido por coeficiente de desempenho do ciclo de absorção COPabs e é Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 185 definido como abs taxaderefrigeração COP taxadeadiçãodecalorno gerador Em certos aspectos aplicar o termo COP ao sistema de absorção não é apropriado porque o valor é apreciavelmente menor que o do ciclo de compressão de vapor 06 versus 3 por exemplo Entretanto esse valor comparativamente baixo de COPabs não deve ser visto como um desem penho baixo para o sistema de absorção porque os COP dos dois ciclos são definidos de formas diferentes o COP do ciclo de compressão de vapor é a razão entre a taxa de refrigeração e a potência em forma de trabalho fornecido para operar o ciclo sendo que a energia na forma de trabalho é normalmente muito mais valiosa e cara do que a energia na forma de calor Podemos ver na Figura 47 os dois ciclos o ciclo de potência e o ciclo de refrigeração O ciclo de potência recebe energia na forma de calor gq a uma temperatura absoluta sT entrega uma energia W na forma de trabalho ao ciclo de refrigeração e rejeita uma quantidade de energia aq na forma de calor a uma temperatura a T O ciclo de refrigeração recebe o trabalho W e com ele bombeia calor eq à temperatura de refrigeração de rT até uma temperatura a T na qual a quantidade cq é rejeitada Figura 47 Ciclo de refrigeração operado por calor como uma combinação de ciclo de potência e ciclo de refrigeração Fonte Adaptado de Stoecker e Jones 1985 p 363 Para o ciclo de potência no lado esquerdo da Figura 47 temos g s s a q T W T T E para o ciclo de refrigeração à direita temos e r a r q T W T T Sendo eq a taxa de refrigeração e gq a taxa de adição de calor no gerador substituindo na equação do COPabs temos 186 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor r e s a r s a abs g a r s s a r WT q T T T T T COP q T T WT T T T Unidades de refrigeração por absorção comercial A utilização de usinas de absorção comercial se aproveita do fato de que o condensador e o gerador operam na mesma pressão combinando esses componentes em um único vaso de pressão Da mesma forma como o evaporador e o absorvedor operam na mesma pressão esses compo nentes também podem ser instalados no mesmo vaso de pressão como mostra a Figura 48 Figura 48 Unidade de refrigeração por absorção comercial Fonte Stoecker e Jones 1985 p 372 No reservatório de alta pressão condensador e gerador o vapor de água do gerador se dirige para o condensador local em que é liquefeito enquanto que no reservatório de baixa pressão evaporador e absor vedor o vapor de água liberado no evaporador flui para baixo até o Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 187 absorvedor Para melhorar a taxa de transferência de calor no evapo rador uma bomba de circulação pulveriza a água de evaporação sobre os tubos do evaporador para resfriar a água da carga de refrigeração A água gelada que serve a carga de refrigeração é um circuito separado da água que serve como refrigerante na unidade de absorção A manutenção de circuitos de água separados ajuda a manter uma melhor pureza na unidade de absorção e permite que a água que serve a carga de refrige ração opere a pressões acima da atmosférica Outra característica é que a água de resfriamento da torre de resfriamento passa em série pelo absor vedor e pelo condensador extraindo calor em ambos os componentes Existem unidades de absorção que funcionam por duplo efeito estas unidades se caracterizam por incorporar um segundo gerador gerador II que usa o vapor da água de condensação do gerador I para fornecer o suprimento de calor Os conceitos abordados nesta seção são a base para o conhecimento e aplicação em sistemas de refrigeração industrial resfriamento intermedi ário e unidades de refrigeração por absorção comercial que são vistos no cotidiano da vida profissional do engenheiro Na próxima seção aborda remos os tipos e dimensionamento de bombas de calor torres de resfria mento e condensadores evaporativos e resfriadores Sem medo de errar Relembrando temos que você é um engenheiro que está trabalhando numa empresa de sistemas de refrigeração na qual há um grupo de engenheiros que você faz parte que está desenvolvendo um projeto de refrigeração para uma indústria de fabricação de sucos concentrados O seu líder pede para você desenvolver um projeto de refrigeração multi pressão com resfriamento intermediário com líquido refrigerante R134a com compressão em dois estágios para comparálo com um sistema sem resfriamento intermediário a fim de verificar a possibilidade da diminuição do consumo de energia do compressor Você sabe que a vazão do refrigerante R134a saindo do evaporador estado 1 é de 15 kg s de vapor saturado a 100 kPa e deve ser comprimido no primeiro estágio a 400 kPa e no segundo estágio a 900 kPa O sistema de refrigeração com resfriamento intermediário por refrigerante líquido é mostrado na Figura 41a e o diagrama de pressãoentalpia para este sistema é mostrado na Figura 41b 188 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Figura 41 a sistema de refrigeração com resfriamento intermediário b diagrama pressão entalpia do sistema de refrigeração Fonte Elaborado pelo autor Para resolver este problema vamos primeiramente observar a Figura 41b Os estados 1 2 4 e 5 correspondem a um sistema de refrigeração multipressão com resfriamento intermediário enquanto que os estados 1 2 e 3 correspondem a um sistema sem resfriamento intermediário Além disso os estados 1 e 4 estão como vapor saturado e os estados 1 2 e 3 e os estados 4 e 5 operam a entropia constante Para determinar a potência para um sistema de refrigeração sem resfriamento intermediário determinado pelos estados 1 2 e 3 Figura 41b são necessárias as entalpias e entropias nestes estados para o refri gerante R134a MORAN e SHAPIRO 2018 Tabela A11 e A12 Na pressão de 100 kPa a entalpia do vapor saturado do R134a é 1 23135 h kJ kg e a entropia é 1 09395 s kJ kgK Na pressão de 400 kPa a entalpia no estado 2 como vapor superaque cido com 2 1 09395 s s kJ kgK é 2 25950 h kJ kg e a 900 kPa a entalpia no estado 3 como vapor superaquecido com 3 2 1 09395 s s s kJ kgK é 3 27691 h kJ kg Então a potência total do compressor nos dois estágios para um sistema sem resfriamento intermediário é 1 2 1 2 3 2 Potência m h h m h h Em que 1 2 15 m m kg s Então 1525950 23135 1527691 25950 683 Potência kW Portanto temos que a potência para um sistema de refrigeração de dois estágios de compressão sem resfriamento intermediário é de 683 kW Agora vamos determinar a potência do compressor num sistema usando resfriamento intermediário com refrigerante líquido Primeiramente vejamos a Figura 41a o gás comprimido no primeiro estágio de compressão Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 189 estado 2 é misturado com o líquido que sai do condensador que por sua vez ingressa no separador de líquido que é controlado por uma válvula de boia O gás já resfriado sai do separador de líquido e é comprimido num segundo estágio estado 4 a estado 5 Veja que o estado 4 está como vapor saturado então a 400 kPa 4 4 25232 e 09145 h kJ kg s kJ kgK Considerando entropia constante 5 4 s s a 900 kPa a entalpia no estado 5 de vapor superaquecido é 5 26913 h kJ kg e no estado 6 de líquido saturado a 900 kPa é 6 10529 h kJ kg MORAN e SHAPIRO 2018 Tabela A11 e A12 Da Figura 41a a vazão no estado 4 pode ser determinada aplicando um balanço de massa e energia Assim realizando o balanço de massa 6 2 4 m m m Então 4 6 15 m m Realizando o balanço de energia temos 6 6 2 2 4 4 6 4 10529 1525950 m h m h m h m m Substituindo 4 m temse que 6 6 10529 1525950 15 m m Resolvendo a equação temos que 6 0073 m kg s e então 4 1573 m kg s Observe também que 4 5 m m Então a potência total para os dois estágios de compressão para o sistema de refrigeração com resfriamento intermediário será 1 2 1 4 5 4 1525950 23135 157326913 25232 686 Potência m h h m h h Potência kW Dos resultados obtidos você pôde observar que a potência do compressor para um sistema de refrigeração com resfriamento intermedi ário e sem resfriamento intermediário é praticamente a mesma podendo concluir que o uso do refrigerante R134a para o sistema de refrigeração não influenciará na economia de energia utilizada pelo compressor o que é diferente do que acontece quando utilizamos amônia como refrigerante Portanto neste caso você pode optar pelo sistema sem resfriamento inter mediário ou como melhoria poderia colocar um sistema de separador de líquido que permitiria dois níveis de baixa pressão com dois evaporadores Você pode observar que aplicando adequadamente os conceitos e funda mentos podese resolver problemas e chegar a uma conclusão para uma futura tomada de decisão 190 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Projeto de um sistema de subresfriamento de líquido Descrição da situaçãoproblema Imagine que você é um engenheiro que trabalha numa empresa consul tora de engenharia O seu líder tem um projeto de um sistema de subresfria mento de líquido com amônia como mostrado na Figura 49 Você sabe que o subresfriador recebe amônia líquida do condensador numa vazão de 04 kg s na temperatura de 36 C e é subresfriada a 0 C O vapor saturado deixa o subresfriador e é dirigido para o compressor do estágio de alta pressão na temperatura de 4 C O seu líder quer saber qual será a vazão de vapor saturado de amônia que vai para a compressão do estágio de alta pressão Avançando na prática Figura 49 Sistema de subresfriamento de líquido de amônia Fonte elaborada pelo autor Resolução da situaçãoproblema A vazão de amônia é determinada a partir do balanço de massa e de energia Para isto você precisará das entalpias em cada estado Assim os estados 6 e 7 estão como líquidos saturados e o estado 4 como vapor saturado Assim a 36 C a entalpia 6 35169 h kJ kg a 0 C a entalpia 7 17996 h kJ kg e a 4 C a entalpia 4 143756 h kJ kg MORAN e SHAPIRO 2018 Tabela A13 Portanto aplicando o balanço de massa temse que 6 4 7 7 4 04 m m m m m Realizando o balanço de energia 6 6 4 4 7 7 4 4 0435169 143756 04 17996 m h m h m h m m Resolvendo esta equação temse que 4 0055 m kg s Portanto você pode concluir que a vazão de vapor saturado de amônia que Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 191 vai para o compressor do estágio de alta pressão é de 0055 kg s Veja que aplicando os conceitos e equações matemáticas adequadamente você pode resolver problemas e chegar a uma resposta adequada 1 No sistema de refrigeração por absorção temos 4 componentes envolvidos que são o gerador o absorvedor o condensador e o evaporador Existem duas pressões diferentes no sistema de refrigeração por absorção pressão baixa e pressão alta Em quais componentes do sistema de refrigeração por absorção teremos pressão alta Assinale a alternativa correta a No gerador e no absorvedor b No gerador e no condensador c No condensador e no absorvedor d No absorvedor e no evaporador e No condensador e no evaporador Faça valer a pena 2 O coeficiente de eficácia no ciclo de refrigeração por absorção é relativamente baixo quando comparado com o coeficiente de eficácia de um ciclo de compressão de vapor isto porque são definidos de formas diferentes Seja um ciclo de absorção ideal operado por calor o qual recebe o calor de um aquecedor solar a uma temperatura de 60 C realiza refrigeração a 14 C e rejeita o calor para a atmosfera a uma temperatura de 34 C Qual é o coeficiente de eficácia para este ciclo de refrigeração por absorção Assinale a resposta correta a 068 b 095 c 112 d 159 e 234 3 Os sistemas de refrigeração podem operar pelo ciclo de compressão de vapor ou por absorção Algumas unidades de absorção funcionam por duplo efeito que se caracteriza por incorporar um segundo gerador gerador II que usa o vapor da água de condensação do gerador I para fornecer o suprimento de calor Uma unidade de refrigeração por absorção de duplo efeito como mostrada na Figura 192 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Unidade de absorção de duplo efeito Fonte Stoecker e Jones 1985 p 378 opera com uma solução de LiBrágua A solução líquida de LiBrágua sai do gerador I com uma concentração de 65 passa pelo trocador de calor e ingressa no gerador II onde a temperatura aumenta a 120 C Logo a solução passa através de uma válvula de expansão reduzindo sua pressão a 54 kPa e ingressando no condensador que opera a 90 C No processo de redução de pressão um pouco de vapor de água se desprende dessa solução fluindo através do gerador II Seção 41 Refrigeração industrial e unidades de absorção comerciais 193 A variação da entalpia em soluções de LiBrágua é mostrada na seguinte figura Entalpia de soluções de LiBrágua Fonte Stoecker e Jones 1985 p 368 Elabore uma linha de raciocínio e desenvolva os cálculos para determinar qual será a concentração de solução de LiBr que é condensado no condensador considerando que um quilograma de solução de LiBrágua escoa através do gerador II de uma unidade de absorção de duplo efeito O diagrama para o balanço de massa em torno do gerador II e do condensador é o seguinte Fonte Elaborado pelo autor Assinale a resposta correta a 405 b 495 c 563 d 662 e 804 194 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos Diálogo aberto Caro aluno você sabia que em climas frios as bombas de calor são bastante utilizadas Porém muitas vezes uma parte da capacidade de aquecimento pode ser suprida com aquecedores elétricos em ocasiões em que a temperatura do ambiente externo pode diminuir o fator de eficácia de uma bomba de calor Por outro lado sabemos que em sistemas de resfriamento utilizando água são necessárias torres de resfriamento para a reutilização da água fazendo com que a água seja resfriada Uma aplicação de torres de resfriamento é nas refinarias de petróleo em que a água procedente dos trocadores de calor é resfriada sendo depois reuti lizada Neste processo de resfriamento muitas vezes parte da água é parcialmente evaporada o que faz necessária a reposição do volume de água perdido Para entender melhor os temas e conceitos abordados nesta seção e a fim de colocar em forma prática o funcionamento e análise de uma torre de resfriamento vamos pensar que você é um engenheiro que está trabalhando numa empresa de sistemas de refrigeração a qual está desen volvendo um projeto para uma indústria de fabricação de concentrados de sucos No processo de fabricação de sucos é realizada a pasteurização no qual aumentase a temperatura por um período curto e depois o suco é resfriado rapidamente A água utilizada no resfriamento do suco sai a 35 C e então é enviada a uma torre de resfriamento Nesse momento a empresa que você trabalha está realizando o projeto da torre de resfria mento e o seu líder pede para você avaliar qual será a temperatura de saída do ar na parte superior da torre de resfriamento sendo que a vazão de água na entrada da torre é de 18 kgs a 355 C e sai da torre a 255 C O ar ingressa na parte inferior da torre com umidade relativa de 50 numa vazão de 13 kgs e à temperatura de 20 C A Figura 410 mostra a torre de resfriamento e a divisão da torre em 10 seções Seção 42 Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 195 Figura 410 Torre de resfriamento de água Fonte elaborada pelo autor Para ajudar a resolver esta problematização você poderá consultar os tópicos referentes a torres de resfriamento condensadores evaporativos e resfriadores Você acha que a vazão de ar é importante para o resfriamento da água No fluxo de saída do ar da torre seria melhor utilizar um exaustor ou um ventilador Para encontrar as respostas a esta e outras questões convido a ler este material que trará conhecimento para resolver problemas na sua vida profissional Não pode faltar Tipos de bombas de calor Por definição todos os sistemas de refrigeração são bombas de calor porque absorvem energia térmica a um nível baixo de temperatura e a descarregam a um nível de temperatura elevado A designação do equipamento bomba de calor no entanto desenvolveuse em torno da aplicação de um sistema de refrigeração na qual o calor rejeitado no condensador é usado em vez de simplesmente ser dissipado para a atmosfera Existem certas aplicações e ocasiões em que a bomba de calor pode executar simultaneamente resfriamento e rejeição de calor e esta é claramente uma situação vantajosa STOECKER e JONES 1985 As bombas de calor geralmente são aplicadas em uma variedade de contextos Existem quatro classificações importantes 1 bombas de calor 196 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor compactas com ciclo reversível 2 bombas de calor descentralizadas para condicionamento de ar em edifícios moderados e grandes 3 bombas de calor com um condensador de feixe duplo e 4 bombas de calor industriais STOECKER e JONES 1985 Vale salientar que cada grupo corresponde a uma oportunidade ou necessidade exclusiva Iremos agora conhecer um pouco mais sobre os tipos de bombas de calor 1 Bombas de calor compactas com ciclo reversível esta classi ficação inclui especialmente unidades residenciais e pequenas unidades comerciais e são capazes de aquecer um espaço em climas frios e resfriálo em climas quentes As principais fontes e sumidouros de calor residen ciais e comerciais são ar água terra Para fins de explicação o ar será inicialmente considerado como sendo a fonte de calor A bomba de calor reversível opera de acordo com o diagrama mostrado na Figura 411a Figura 411 a Bomba de calor reversível e b Bomba de calor descentralizada Fonte Stoecker e Jones 1985 p 387 e 394 Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 197 Durante a operação de aquecimento a válvula de quatro vias se posiciona de modo que o gás de descarga de alta pressão do compressor flua primeiro para o trocador de calor na corrente de condicionamento de ar Em seu processo de condensação o refrigerante rejeita o calor aquecendo o ar O refrigerante líquido flui para a seção do dispositivo de expansão na qual a válvula de retenção na linha superior impede o fluxo através deste trecho e em vez disso o refrigerante líquido flui através do dispositivo de expansão na linha inferior O refrigerante frio de baixa pressão extrai o calor do ar externo enquanto ele vaporiza O vapor de refrigerante retorna à válvula de quatro vias para ser direcionado para o lado de sucção do compressor Para converter a operação de aquecimento para a operação de resfriamento a válvula de quatro vias muda para sua posição oposta de modo que o gás de descarga do compressor flua primeiro para a serpentina externa na qual o refrigerante rejeita o calor durante a condensação Depois de passar pelo dispositivo de expansão na linha superior da Figura 411a o refrigerante de baixa pressão e baixa temperatura evapora no trocador de calor que resfria o ar do espaço condicionado Assimile Duas ramificações são necessárias para o dispositivo de expansão na Figura 411a porque uma válvula de expansão convencional contro lada por superaquecimento funcionaria adequadamente com o fluxo somente em uma direção Pode parecer que um tubo capilar funcionaria satisfatoriamente porque seu desempenho é o mesmo independente mente da direção do fluxo mas a diferença de pressão através do tubo capilar é muito maior durante a operação de aquecimento no inverno do que durante o resfriamento no verão Assim um tubo capilar dimen sionado para uma estação deve ser diferente para a outra A válvula de expansão elétrica pode operar com fluxo de refrigerante em qualquer direção 2 Bombas de calor descentralizadas uma característica do arranjo de bombas de calor descentralizadas como mostrado esquematicamente na Figura 411 b é que ele pode bombear calor de zonas de um edifício que necessitam de refrigeração para outras zonas que necessitam de aquecimento As bombas de calor neste conceito são unidades de águaar cada uma servindo sua própria zona Um circuito hidráulico atende a essas bombas de calor que alternam automa ticamente entre aquecimento e resfriamento conforme necessário para manter a temperatura ambiente desejada Se a maioria das bombas de calor estão no modo de resfriamento a temperatura da água do circuito aumenta e quando ret T atinge 198 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor cerca de 32 C a válvula de três vias I desvia o fluxo de água para o trocador de calor Este trocador de calor rejeita calor para a atmosfera através do uso de uma serpentina com aletas resfriadas a ar ou um resfriador evaporativo que veremos mais adiante Se a maioria das bombas de calor estiverem no modo de aqueci mento a ret T diminui e a válvula de três vias I envia a água diretamente e se a ret T diminuir para 15 C a válvula de três vias II abre para o aquecedor a combustível ou elétrico para compensar a deficiência de aquecimento do sistema O trocador de calor e o aquecedor suplementar são componentes neces sários de todos os sistemas de bomba de calor descentralizada sendo que o tanque de armazenamento e o coletor solar são opções O tanque de armaze namento é eficaz nos dias em que o calor é rejeitado do edifício durante o dia devido à carga solar luzes temperaturas externas quentes etc e o sistema apresenta uma deficiência de calor durante a noite A temperatura da água no tanque de armazenamento aumenta durante o dia e fornece uma fonte de calor para a operação noturna A incorporação do coletor solar converte o sistema em uma bomba de calor assistida por energia solar As unidades de bomba de calor estão disponíveis em formatos adaptáveis a espaços existentes no teto pequenas salas de equipamentos ou como consoles de ambiente 3 Bombas de calor com um condensador de feixe duplo durante a estação de inverno grandes edifícios podem exigir calor nas zonas perifé ricas embora as zonas interiores não sejam afetadas pelas condições externas e sempre exijam resfriamento Um tipo de bomba de calor de fonte interna que bombeia o calor das zonas internas para as zonas periféricas é a bomba de calor com um condensador de feixe duplo Um arranjo desse sistema é mostrado na Figura 412 que mostra que uma torre de resfriamento resfria a água para um dos feixes e a água flui para as serpentinas de aquecimento nas zonas perifé ricas através do outro feixe Figura 412 Bombas de calor com um condensador de feixe duplo Fonte Stoecker e Jones 1985 p 396 Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 199 A estratégia de operação é que o compressor geralmente do tipo centrí fugo nesses sistemas tem sua capacidade regulada para manter 1t em um valor constante digamos 6 C O controlador da temperatura de fornecimento de água quente modula a válvula V1 para desviar mais água para a torre de resfria mento se 2t subir muito Quando a 2t começa a cair a V1 primeiro fecha o fluxo de água para a torre de resfriamento Após uma queda contínua em 2t aquecedores elétricos na linha de água quente entram em funcionamento A serpentina de resfriamento atende a um sistema de ar volume de ar variável por exemplo que pode abastecer de ar tanto as zonas internas quanto as periféricas A temperatura do ar de fornecimento 3t poderia ser mantida constante a 13 C modulando a válvula V2 O resultado da operação é que o calor removido do ar que está sendo resfriado é suprido para as necessidades de aquecimento Quando um excesso de energia está disponível esta é rejeitada pela torre de resfriamento A falta de energia nas serpentinas de aquecimento é compensada através do uso de aquecedores elétricos Se temos baixas temperaturas externas pode ser vantajoso regular a temperatura da mistura 4t para um valor mais alto que o desejado para 3t Se houver uma falta de energia no condensador que faça com que os aquecedores elétricos sejam ativados seria preferível elevar 4t para limitar a taxa de rejeição de calor no ar de exaustão 4 Bombas de calor industriais as aplicações de bombas de calor que vimos até agora foram direcionadas para aquecimento e resfriamento de edifícios porém existem algumas aplicações industriais atraentes da bomba de calor também Um exemplo é um concentrador de suco de frutas mostrado na Figura 413 Figura 413 Bomba de calor para concentração de suco de fruta Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 p 397 200 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor O suco que deve ser concentrado a baixa temperatura para preservar o seu sabor entra no vaporizador de água que opera sob pressão subatmosférica vácuo O calor para a vaporização da água do suco é fornecido pela conden sação do refrigerante O vapor de água flui para o condensador de água onde a água é condensada Na saída da água condensada uma bomba eleva a pressão para que o condensado possa sair à pressão atmosférica No circuito refrigerante um trocador de calor refrigerado a água elimina o calor gerado na compressão porque a taxa de transferência de calor no vaporizador de água deve ser igual à do condensador de água Outro exemplo de uma bomba de calor industrial é a que bombeia calor do condensador para o refervedor de uma coluna de destilação O condensador deve ser resfriado a uma temperatura baixa e o refervedor deve receber calor a uma temperatura alta Em comparação com a torre de destilação convencional a qual rejeita o calor do condensador para a atmosfera e requer calor derivado de um processo de combustão no refervedor a bomba de calor requer energia na forma de potência para acionar o compressor Dimensionamento de bombas de calor Idealmente a capacidade da bomba de calor reversível do tipo compacto deveria corresponder à carga de resfriamento da estrutura durante o clima quente e à carga de aquecimento durante o clima frio Haverá locais onde a combinação de características climáticas e térmicas da estrutura podem ser feitas mas em geral não é esse o caso Em climas mais quentes do que casos em que a combinação de verãoin verno é perfeita a bomba de calor geralmente é dimensionada para corres ponder à carga de resfriamento e há simplesmente um excesso de capacidade de aquecimento no inverno Em climas mais frios a bomba de calor é frequen temente escolhida de modo que sua capacidade de aquecimento é menor do que a demanda de aquecimento e a deficiência é fornecida por aquecedores suplementares de resistência elétrica A lógica desta estratégia é que o custo de investimento por kW de capacidade de aquecimento é muito menor na forma de aquecedores de resistência do que na forma de bomba de calor de modo que por algumas horas do ano um maior gasto de energia para esta operação será aceito Outra razão para suplementar o sistema com aquecedores de resistência é que nas temperaturas externas em que são usados o fator de desempenho da bomba de calor também é baixo talvez cerca de 15 a 20 portanto não há uma grande diferença no custo de aquecimento pelos dois métodos Torres de resfriamento A torre de resfriamento tem a função de resfriar água quando está em contato com o ar e neste resfriamento temos que parte da água é evaporada Existem Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 201 diferentes aplicações sendo que uma delas é em usinas elétricas de grande capaci dade tomando uma forma hiperbólica de 50 a 100 m de altura onde o fluxo de ar é por convecção natural O desempenho de uma torre de resfriamento pode ser expresso por resfriamento e aproximação O desempenho por resfriamento é dado quando o resfriamento é causado pela redução da temperatura da água numa torre de resfriamento enquanto que a aproximação se refere à diferença entre a temperatura de bulbo úmido do ar que entra na torre e a temperatura da água que sai da torre Um tipo de torre de resfriamento é o de contrafluxo no qual o ar escoa de baixo para cima enquanto que a água escoa de cima para baixo A Figura 414 apresenta um volume diferencial DV de uma seção da torre de resfriamento em contrafluxo em que L é a vazão de água G é a vazão de ar ah é a entalpia do ar kJ kg dearseco a a h dh é a entalpia saindo do volume diferencial t é a temperatura da água e t dt é a temperatura da água saindo da torre pela parte inferior Figura 414 Variação de massa e energia numa torre de resfriamento em contrafluxo Fonte adaptada de Stoecker e Jones 1985 p 403 A partir da troca de calor realizada na Figura 414 a taxa de energia removida da água é dada por 419 a dp Gdh L kJ kg K dt kW Outra expressão para a troca de calor é a partir do princípio do potencial entálpico expresso por c i a pm h dA dq h h c Em que ch é o coeficiente de convecção 2 kW m K ih é a entalpia do ar saturado na temperatura da água kJ kg dearseco ah é a entalpia do ar kJ kg dearseco cpm é o calor específico do ar úmido kJ kg K A equação que descreve o termo c h dA cpm é 1 419 c pm i a m h dA L t c h h D å 202 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Sendo que i a m h h é a média aritmética da diferença de entalpia para um incremento de volume ou temperatura Exemplificando A torre de resfriamento de contrafluxo mostrada na Figura 415 resfria água de 28 C até 25 C usando ar com umidade relativa de 50 Qual será o valor de c h dA cpm para a torre de resfriamento Figura 415 Torre de resfriamento Fonte elaborada pelo autor Imaginemos que a torre seja dividida em 3 seções de temperatura 01 12 e 23 como mostrado na Figura 415 Na entrada do ar na seção 01 usando a carta psicrométrica a entalpia do ar com umidade relativa de 50 é 0 570 ah kJ kg STOECKER e JONES 1985 p 47 e 26 25 1 dt C Então a entalpia do ar que deixa a seção 01 ah 1 será 1 0 1 419 419 10 1241910 349 349 57 6049 a a a a dp Gdh L kJ kg K dt L h h dt G h kJ kg Assim na seção 01 a entalpia média do ar ha m é 6049 572 5874kJ kg Nesta seção a água tem uma tempe ratura média de 255 C e nesta temperatura a entalpia do ar saturado das tabelas de ar saturado STOECKER e JONES 1985 p 457 a entalpia é 7863 kJ kg Então o valor de 1 i a m h h será 1 7863 5874 00503 O mesmo procedimento é realizado nas seções 12 onde 2 1 341 a a h h Como ah 1 é 6049kJ kg então 2 6049 341 639 ah kJ kg Os valores de 1 i a m h h são mostrados na Tabela 41 Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 203 Tabela 41 Resultados para o cálculo de 1 i a m h h Seção Temp média ah médio ih médio i a m h h 1 i a m h h 01 255 5874 7863 181 00503 12 265 6224 8302 1891 00480 23 275 6572 8761 2009 00454 01437 Fonte elaborada pelo autor Então o valor de c h dA cpm é 1 419 41910101437 6021 c pm i a m h dA L t kW c h h D å Veja que com o valor da razão obtido acima pode ser calculado a taxa de energia e a temperatura do ar na saída da torre Uma outra propriedade a ser determinada é a temperatura do ar Para deter minar a temperatura de bulbo seco do ar ta n 1 através da torre a temperatura de entrada do ar deve ser conhecida A temperatura nt é a temperatura da água na posição n indicada na divisão da torre e 1 nt é a temperatura da água na posição n1 da torre Assim a temperatura de saída do ar na torre numa seção arbitrária 1 n é 1 1 1 1 2 1 419 1 2 2 2 c a n a n n n pm c a n c i n i n a n a n pm pm h A t t t t Gc h A t onde L t h A h h h h c Gc D æ ö ç ç D ç ç D ç ç D ç ç çè ø Sendo que a expressão entre parênteses 1 1 1 2 2 i n i n a n a n h h h h æ ö ç ç ç çè ø é igual ao valor de 1 i a m h h O valor de n é a posição correspondente à divisão da temperatura da torre No exemplo acima na Figura 415 o valor de n é 0 1 2 e 3 Assim a partir desta equação temos a determinação da temperatura de bulbo seco do ar na saída da torre Reflita Numa torre de resfriamento se a vazão de ar for muito menor que a vazão de água poderá se atingir uma temperatura de água resfriada desejada Ou a vazão de ar deveria ser suficientemente maior que a vazão da água na entrada da torre 204 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Condensadores evaporativos e resfriadores O condensador evaporativo combina as funções do condensador do refrige rante e da torre de resfriamento como mostrado na Figura 416 Figura 416 Condensador evaporativo Fonte Stoecker e Jones 1985 p 413 A sequência do processo combinado de transferência de calor e massa no condensador evaporativo é 1 condensação do vapor refrigerante no interior dos tubos 2 condução através das paredes do tubo 3 condução e convecção a partir da superfície do tubo para a superfície externa do filme de água que cobre os tubos e 4 transferência simultânea de calor e massa da superfície molhada para a corrente de ar Um dispositivo estreitamente relacionado ao condensador evaporativo é o resfriador evaporativo Este dispositivo ao invés de condensar um refri gerante dentro dos tubos temos que um líquido é resfriado Uma aplicação para o resfriador evaporativo é o trocador de calor na bomba de calor descen tralizada descrita anteriormente Com os conceitos tratados nesta seção você terá a base para o conheci mento e aplicação prática na sua vida profissional Mais em diante veremos como são os separadores de líquido segurança em instalações frigoríficas e trataremos sobre proteção contra incêndios em câmaras refrigeradas Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 205 Sem medo de errar Vamos lembrar que você é um engenheiro que está trabalhando numa empresa de sistemas de refrigeração que está realizando o projeto de uma torre de resfriamento Seu líder pede para você avaliar qual será a tempera tura de saída do ar na parte superior da torre de resfriamento sabendo que a vazão de água na entrada superior da torre é de 18 kgs e 355 C e sai da torre a 255 C Além disso o ar com umidade relativa de 50 ingressa na parte inferior da torre com uma vazão de 13 kgs e 20 C A Figura 410 mostra a torre de resfriamento e a divisão da torre em 10 seções Figura 410 Torre de resfriamento de água Fonte elaborada pelo autor Para começar a resolver seu problema veja que para realizar os cálculos a torre pode ser dividida em 10 seções 01 12 23910 sendo que a variação da temperatura em cada seção dt é igual a 1 C Você sabe que o ar entra na torre de resfriamento a 20 C com umidade relativa de 50 Portanto usando a carta psicrométrica STOECKER e JONES 1985 p 47 a entalpia do ar úmido é 0 570 ah kJ kg Assim a entalpia do ar que deixa a seção 01 1 ah será 1 0 1 0 419 419 18 13 41910 58 58 58 57 628 a a a a a dp Gdh L kJ kg K dt L h h dt G h h kJ kg 206 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Vale ressaltar que na seção 12 para calcular a diferença de entalpia do ar 2 1 a a h h o valor de 1 ah é de 628 kJ kg e o valor de ah 2 deve ser deter minado Este procedimento é realizado analogamente para todas as seções Na seção 01 a entalpia média do ar ha m será 628 572 599 ha m kJ kg Como a temperatura média da água nesta seção é 260 C 255 2652 260 C então a entalpia média do ar saturado hi m a 260 C é 80777 kJ kg STOECKER e JONES 1985 p 457 Assim o valor de 1 i a m h h é 1 1 80777 599 00479 i a m m h h Este procedimento é usado para as seções 12 23 34 45 56 67 78 89 e 910 Os resultados dos valores de 1 i a m h h são mostrados na Tabela 42 Tabela 42 Resultados de 1 i a m h h para a torre de resfriamento de água Seção Temp média ah médio ih médio i a m h h 1 i a m h h 01 255 599 80777 20877 00479 12 265 657 85263 19567 00511 23 275 715 89952 18452 00542 34 285 773 94851 17551 00570 45 295 831 99977 16877 00592 56 305 889 105337 16437 00608 67 315 947 110946 16242 00616 78 325 1005 116819 16319 00613 89 335 1063 122968 16668 00600 910 345 1121 129411 17311 00578 05709 Fonte elaborada pelo autor O valor total de 1 i a m h h é igual a 05709 kg kJ Então a relação c h dA cpm será 1 419 41918105709 430573 c pm i a m h dA L t kW c h h D å Com o resultado de c h dA cpm calculamos a temperatura do ar na saída da torre de resfriamento com a seguinte equação em que o segundo termo é dividido por 2G então 1 1 1 1 2 1 419 1 2 2 2 c a n a n n n pm c a n c i n i n a n a n pm pm h A t t t t Gc h A t onde L t h A h h h h c Gc D æ ö ç ç D ç ç D ç ç D ç ç çè ø Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 207 Veja que na posição de 0 n o valor de 20 ta n C 255 nt C 1 265 nt C Sabemos que o termo em parênteses da segunda equação é igual a 1 i a m h h Então dividindo a equação da direita por 2G temse que 419 1 41918100479 01389 2 2 213 c pm i a m h A L t Gc G h h æ ö D D ç ç ç ç è ø O mesmo procedimento é feito para as demais posições de n Os resultados da temperatura do ar em cada posição da torre e na saída são mostrados na Tabela 43 n seção 1 i a m h h 2 c pm h A Gc D t a n nt nt 1 ta n 1 0 01 00479 01389 20 255 265 2146 1 12 00511 01482 2146 265 275 2289 2 23 00542 01572 2289 275 285 2428 3 34 0057 01653 2428 285 295 2562 4 45 00592 01717 2562 295 305 2690 5 56 00608 01764 2690 305 315 2813 6 67 00616 01787 2813 315 325 2930 7 78 00613 01778 2930 325 335 3042 8 89 006 01740 3042 335 345 3148 9 910 00578 01677 3148 345 355 3249 Tabela 43 Resultados do cálculo da temperatura do através da torre de resfriamento Fonte elaborada pelo autor Como mostrado na Tabela 43 você pode concluir que o valor da tempera tura do ar na saída da torre ta n 1 será de 3249 C Você pode ver que aplicando os conceitos e equações deste material podese chegar a soluções de problemas análogos encontrados na vida prática Determinação da temperatura do ar na saída da torre de resfriamento Descrição da situaçãoproblema Vamos pensar que você engenheiro trabalha numa empresa consultora de engenharia O seu líder pede para você determinar a troca de calor de uma torre de resfriamento de água para uma empresa de produtos químicos O ar entra a 20 C a água entra a 28 C e sai a 25 C a vazão de água na entrada Avançando na prática 208 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor é 10 L kg s e a vazão de ar na entrada é 12 G kg s O valor da expressão 1 i a m h h e os dados da torre de resfriamento são mostrados na Figura 417 Figura 417 Diagrama e dados da torre de resfriamento Fonte elaborada pelo autor Resolução da situaçãoproblema Primeiramente determinamos o termo c pm h DA c a partir da seguinte equação 1 1 1 419 2 2 c i n i n a n a n pm h A L t h h h h c æ ö ç ç D ç ç D ç ç ç ç çè ø A partir da Figura 417 veja que na posição 0 n o valor de 20 ta n C 250 nt C 1 260 nt C Sabemos que o termo entre parênteses da segunda equação é igual a 1 i a m h h Dividindo a equação à direita por 2G temse 419 1 41910100503 00878 2 2 212 c pm i a m h A L t Gc G h h æ ö D D ç ç ç ç è ø A temperatura do ar na posição ta n 1 é determinada pela seguinte equação 1 1 2 20 0087820 25 26 2088 1 00878 1 2 c a n a n n n pm a n c pm h A t t t t Gc t C h A Gc D D Seguindo este procedimento para 1 e 2 n n temse o resultado mostrado na Tabela 44 n seção 1 i a m h h 2 c pm h A Gc D t a n nt 1 nt ta n 1 0 01 00503 00878 20 25 26 2088 1 12 00480 00838 2088 26 27 2176 2 23 00454 00793 2176 27 28 2260 Fonte elaborada pelo autor Tabela 44 Temperatura do ar na torre de resfriamento Seção 42 Bombas de calor torres de resfriamento e condensadores evaporativos 209 O valor de 2 c pm h A Gc D é igual à 00878 00838 00793 02509 Então o valor de 60216 c pm h DA c Como o valor de 01437 i a h h então a troca de calor é determinada a pela seguinte equação 60216 01437 0865 c i a pm h dA q h h kW c Portanto veja que o calor transferido na torre de resfriamento é igual a 0865 kW e a temperatura de ar na saída da torre de resfriamento é de 2260 C 1 Temos que a bomba de calor é um sistema termodinâmico capaz de retirar energia na forma de calor de um meio a temperatura inferior chamado de fonte fria e de fornecer energia útil na forma de calor a um meio de temperatura superior chamado de fonte quente à custa de um consumo de energia GUILHERMETTI 2007 Qual tipo de bomba de calor é utilizado especialmente em unidades residenciais e pequenas unidades comerciais a fim de aquecer um espaço em climas frios e resfri álo em climas quentes a bomba de calor descentralizada para condicionamento de ar b bomba de calor centralizada c bomba de calor industrial d bomba de calor compacta com ciclo reversível e bomba de calor com um condensador de feixe duplo Faça valer a pena 2 O condensador evaporativo é um dispositivo que tem a função de condensar um gás ou vapor O refrigerante na fase vapor procedente de um compressor escoa através de tubos colocados no interior de uma torre de resfriamento Através da trans ferência de calor entre os tubos e água que escoa externamente aos tubos acontece a condensação do refrigerante Este processo é utilizado na indústria de condiciona mento de ar para a condensação do gás refrigerante No condensador evaporativo ocorrem algumas etapas podem ser descritas para o processo de troca de calor e massa Com isso julgue as afirmativas a seguir I Condensação do vapor refrigerante no interior dos tubos II Convecção e radiação da superfície externa e filme de água que recobre os tubos III Troca de calor e de massa entre a superfície úmida e o fluxo de ar IV Condução através das paredes dos tubos A partir da avaliação da veracidade das afirmações apresentadas no textobase assinale a alternativa correta São etapas que podem ser descritas para o processo de 210 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor troca de calor e massa no condensador evaporativo a As afirmativas I II e III apenas b As afirmativas I II e IV apenas c As afirmativas III e IV apenas d As afirmativas II III e IV apenas e As afirmativas I III e IV apenas 3 As torres de resfriamento resfriam a água em contato com o ar e deste contato resulta a evaporação de parte da água As torres de resfriamento são utilizadas em sistemas de refrigeração e de condicionamento de ar fazendo com que os ventiladores movimentem o ar em sentido vertical Para uma torre de resfriamento que reduz a temperatura da água de 33 a 27 C com uma vazão de água de 188 kg s e ar entrando na torre na temperatura de 32 C com uma vazão de ar de 156 kg s os incrementos de temperatura para cada seção da torre são de 05 C e os valores de 1 i a m h h são de 004241 004274 e 004299 Elabore uma linha de raciocínio e desenvolva os cálculos para determinar a tempera tura de ar na saída da torre de resfriamento De acordo com o apresentado no textobase qual é a temperatura de ar na saída da torre de resfriamento Assinale a alternativa correta a 293 C b 324 C c 310 C d 335 C e 287 C Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 211 Reservatórios e normas de segurança Diálogo aberto Caro aluno sabemos que nas instalações frigoríficas as capacidades de refrigeração devem ser suficientemente grandes para manter o produto refrigerado Desta forma os projetos de instalações frigoríficas preveem a instalação de reservatórios e separadores de líquido após o evaporador para prevenir a entrada de líquido refrigerante no compressor e preveem também a instalação de reservatórios de líquido na saída do condensador Em sistemas com múltiplos evaporadores podem ser usados acumu ladores de aspiração que permitem ao líquido retornar ao condensador e o vapor ser destinado ao compressor sem a presença de líquido Por outro lado existem normas de segurança em instalações frigoríficas que devem ser seguidas rigorosamente a fim de evitar acidentes sendo que algumas normas se referem ao uso de vasos de pressão tubulação e válvulas e dispositivos de segurança Você sabe também que uma insta lação frigorífica deve contar com sistema de prevenção contra incêndios e como devem ser realizadas as descargas de amônia Para entender melhor a aplicação destes conceitos vamos imaginar que você é um engenheiro que está trabalhando numa empresa de sistemas de refrigeração e que está desenvolvendo um projeto para uma indústria de fabricação de suco concentrado Considere que após a evaporação concentração e pasteurização do suco o produto final é resfriado embalado e conservado em um sistema de refrigeração Neste projeto você faz parte da equipe de engenheiros e o seu líder pede para você desenvolver o projeto do reservatório e do separador de líquido refrigerante vertical ou horizontal do sistema multipressão com duplo estágio de compressão desenvolvido na primeira fase do projeto Você deve também verificar a possibilidade de usar um acumulador de aspiração considerando que o sistema de refrigeração para a conser vação de suco prevê o uso de um evaporador Além disso deverão ser relatados quais são as normas de segurança que a empresa deve seguir para realizar suas atividades com a devida segurança e quais os cuidados operacionais que se devem ter com os vasos de pressão tubulações e válvulas e dispositivos de alívio instalados no sistema de refrigeração Finalmente devem ser relatados os cuidados que devem ser tomados para a proteção contra incêndios nas câmaras de refrigeração Seção 43 212 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Numa instalação frigorífica com um sistema de evaporação poderá ser instalado um acumulador de aspiração Ou talvez seria melhor usar simplesmente um reservatório de líquido Um dispositivo limitador de pressão é igual a um dispositivo de alívio As respostas para estas e outras questões relacionadas a esta seção podem ser encontradas com a leitura deste material Para ajudar a resolver essa problematização você deverá consultar os tópicos referentes a reser vatórios e separadores de líquido refrigerante acumulador de aspiração segurança vasos de pressão tubulações e válvulas dispositivos de alívio e proteção contra incêndios em câmaras refrigeradas Faço um convite para a leitura deste material para enriquecer seu conhecimento neste assunto Bons estudos Não pode faltar Reservatórios e separadores de líquido Os reservatórios servem para armazenamento e para separação do refrigerante líquido sendo que o armazenamento de líquido compensa as variações que ocorrem tanto na produção como na demanda de refrigerante líquido nos condensadores e evaporadores Já a separação serve para evitar que o líquido entre no compressor Já estudamos o separador de líquido e o resfriador intermediário Portanto neste momento falaremos um pouco sobre reservatórios de líquidos os quais são comuns em instalações frigoríficas industriais que podem ser 1 tanques de líquido de alta pressão que armazenam o líquido prove niente do condensador Figura 418a 2 tanque de flashresfriador intermediário em sistemas de duplo estágio de compressão que borbu lham vapor superaquecido com refrigerante líquido funcionando como separador de líquido Figura 418b 3 reservatório de baixa pressão em sistemas com recirculação de líquido para separar o líquido que serve de reservatório de líquido quando há variações de carga para compensar as necessidades de refrigerante líquido Figura 418c 4 separador de líquido para um evaporador inundado Figura 418d e 5 acumulador da linha de aspiração que protege o compressor quando há a presença de líquido Figura 418e Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 213 Figura 418 Tipos de reservatórios usados em instalações frigoríficas a tanque de líquido de alta pressão b tanque de flashresfriador intermediário em sistemas de duplo estágio de com pressão c reservatório de baixa pressão em sistemas com recirculação de líquido d separador de líquido para um evaporador inundado e acumulador da linha de aspiração Fonte adaptada de Stoecker e Jabardo 2002 p 253 Quando falamos em reservatórios temos que nos lembrar que é necessário limitar os níveis de líquido no interior destes sendo que o nível inferior deve garantir que somente o líquido está deixando o reservatório e o nível superior é estabelecido para evitar que líquido seja extraído simultaneamente com o vapor Já a operação do tanque de flashresfriador intermediário foge à regra de reservatório pois a sua operação não é afetada pelo nível de líquido Quando temos que fazer um projeto de um reservatório é necessário fazer o cálculo do volume de vapor do setor cilíndrico a partir da Figura 419 Com isso determi nase a capacidade de armazenamento de líquido da seguinte maneira 2 2 r volume de vapor sen L q q Em que q é dado em radianos Figura 419 Setor cilíndrico ABC para cálculo do volume Fonte Stoecker e Jabardo 2002 p 254 214 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Exemplificando Considerando a Figura 419 qual será o volume do vapor para um reservatório cilíndrico horizontal de 4 m de comprimento uma vez que este apresenta uma seção transversal com diâmetro de 15 m e que a altura do líquido é de 23 do diâmetro Solução Como a altura do líquido é 23 do diâmetro temos que a altura do líquido é 2 2 15 1 3 3 Altura do líquido D m Então conforme a Figura 419 15 1 05 h D altura do líquido m Dessa forma 152 05 025 y r h m Considerando o triângulo da Figura 419 temos 2 2 2 2 075 025 05625 00625 0707 z r y m Assim em radianos 0707 2 0943 075 0943 2 2463 sen arcsen q q q Finalmente o volume de vapor será 2 2 3 075 2463 0628 4 2064 2 2 r volume de vapor sen L m q q Veja que aplicando as equações e desenvolvimento de cálculos você determinou corretamente qual o volume do vapor para um reservatório cilíndrico horizontal Para a estimativa do volume de reservatórios de alta e de baixa pressão temos que considerar que estes são capazes de receber todo o líquido que está presente nos condensadores nos evaporadores e nas linhas Ainda temos que fazer uma previsão da possibilidade de uma mudança nas condi ções operacionais do sistema como por exemplo uma parada em um dos equipamentos sendo necessário armazenar todo o refrigerante líquido nele contido Temos que quantificar precisamente a quantidade de líquido no sistema é uma tarefa complexa no entanto há algumas regras práticas a serem seguidas pelos projetistas na execução do projeto dos reservatórios tais como Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 215 a Nos evaporadores com recirculação de líquido temos que O líquido ocupa 80 do volume interno quando a alimentação é por baixo O líquido ocupa 30 do volume interno quando a alimentação é por cima b Condensadores o condensador deve conter 50 da capacidade total de líquido em base mássica É admitido que o título varie linear mente com a distância e como o título médio no condensador é igual a 05 temos que l v l l v v m m V V r r Em que lV é o volume de líquido e v V é o volume de vapor lr e vr suas respectivas densidades Sendo o volume interno V temos que l v v l l v V V V V V r r r é ù ê ú ê ú ë û c Temos que para as linhas de mistura bifásica no retorno do evapo rador em sistemas com recirculação de líquido os separadores de líquido podem ser do tipo horizontal e vertical e a gravidade é funda mental para a separação de líquido Figura 420 Figura 420 Separação de líquido por gravidade com escoamento de vapor na a direção vertical b direção horizontal Fonte adaptada de Stoecker e Jabardo 2002 p 256 216 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Quando temos o escoamento do vapor no sentido vertical ascendente Figura 420a a maioria das gotas de líquido que estão presentes devem se depositar e para isso é necessário que sua velocidade seja suficientemente baixa para ocorrer o arraste de somente aquelas com menor diâmetro Já nos reservatórios que apresentam escoamento horizontal do vapor Figura 420b o vapor arrasta as gotas de líquido horizontalmente também Uma vez que estas estão também sujeitas à ação da gravidade esses dois efeitos devem ser considerados no projeto Para fins de dimensionamento dos reser vatórios que têm funções de armazenamento e separação de líquido será elegido o critério que exigir maior volume Acumulador de aspiração Um acumulador de aspiração como mostrado na Figura 421 normal mente não é um componente necessário na grande maioria das instalações pois os reservatórios de baixa pressão são dimensionados para não permitir o transporte de líquido para a linha de aspiração Figura 421 Acumulador na linha de aspiração Fonte adaptada de Stoecker e Jabardo 2002 p 253 No entanto quando temos um sistema constituído de múltiplos evapo radores inundados com um separador de líquido subdimensionado um acumulador de aspiração pode ser necessário pois há a possibilidade de transbordar líquido para a linha de aspiração Muitas vezes serpentinas de água quente são instaladas no acumulador a fim de acelerar a evaporação do líquido que foi recolhido pelo acumulador ou também é possível fazer o bombeamento deste líquido acumulado perio dicamente até o tanque de líquido de alta pressão Segurança vasos de pressão tubulações e válvulas dispositivos de alívio A segurança de uma instalação frigorífica é um aspecto importante e o objetivo é a proteção dos trabalhadores além das pessoas que circulam ou Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 217 habitam fora das instalações Para uma instalação ser segura devese ter em conta 3 aspectos projeto cuidadoso manutenção periódica e adequada e operação eficaz Geralmente a maioria dos acidentes acontecem em insta lações antigas que não cumprem as normas de segurança e que operam com equipamentos inadequados Uma adequada manutenção de equipa mentos e a substituição ou reparo daqueles que apresentem operação ineficiente pode evitar problemas ou falhas no funcionamento de equipa mentos mantendo a segurança nas instalações No projeto e operação de uma instalação frigorífica a segurança é um dos aspectos mais impor tantes e o objetivo principal é a proteção tanto do pessoal de operação e manutenção como também das pessoas que circulam ou habitam perto destas áreas Existem normas de segurança para instalações frigoríficas algumas elaboradas pelos Estados Unidos tal como a norma ANSIASHRAE 151992 Safety Code for Mechanical Refrigeration Código de Segurança para Refrigeração Mecânica e ANSIIIAR 21999 Equipment Design and Installation of Ammonia Mechanical Refrigeration Systems Equipamentos Projeto e Instalação de Sistemas de Refrigeração Mecânica de Amônia e outras como a norma internacional ISO 51491993 Requerimentos de Segurança Sistemas mecânicos de Refrigeração Usados para Arrefecimento e Aquecimento No Brasil temse a norma NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração porém a mesma não trata sobre segurança de instalações frigorificas Uma das normas mais completas usadas no Brasil é a ANSIASHRAE 151992 Safety Code for Mechanical Refrigeration Código de Segurança para Refrigeração Mecânica que trata da atuação de pessoas frente a exposições de refrigerantes em diferentes situações a caracterização dos sistemas frigoríficos níveis de probabilidades de fuga de refrigerante e efeitos em áreas ocupadas por pessoas e critérios para a seleção de refrige rante O ponto mais importante desta norma são as regras para aplicação que estabelecem condições referentes à quantidade de refrigerante a ser utilizado Alguns tópicos importantes de segurança são apresentados a seguir Vasos de pressão O vaso de pressão ou reservatório pressurizado é definido segundo a norma ANSIASHRAE 151992 Safety Code for Mechanical Refrigeration Código de Segurança para Refrigeração Mecânica como sendo um invólucro destinado a armazenar refrigerante numa instalação frigorífica Segundo a norma brasileira NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração a pressão de projeto deve ser inferior à pressão exercida pelo refrigerante em qualquer condição de operação incluindo seu transporte A pressão sugerida é a de saturação do refrigerante à temperatura indicada Alguns projetistas preferem usar pressões de projeto de reservatórios de alta pressão Como regra geral os projetistas adotam arredondamentos acima dos valores estipulados pelas normas Outro aspecto 218 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor que a norma exige é referente ao uso de placas de identificação e instalação em áreas de fácil acesso Tubulações e válvulas Para um projeto de instalação de tubulações é recomendada a norma ASME B31 Code for Pressure Piping Código para Tubulação de Pressão que sugere precauções sobre a retenção de líquido entre duas válvulas fechadas em virtude da expansão devido à dilatação ou à evaporação golpes de aríete ou de líquido devido às condições internas ou externas disposição das tubulações para suportar vibrações e o projeto das tubulações para suportar carga ou descarga de fluidos Estas precauções são sugeridas devido à possibilidade de existir frequentes rupturas da tubulação entre duas válvulas fechadas devido à retenção de líquido e à expansão por aquecimento Os golpes de aríete estão relacionados à elevação da pressão devido a uma interrupção do escoamento do refrige rante que pode ser causado por exemplo pelo fechamento de uma válvula Quando uma válvula é fechada ocorre um súbito aumento da pressão que é propagado rapidamente à montante da válvula Dispositivos de alívio A norma NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração dispõe que todos os dispositivos de alívio devem ser de ação direta por pressão São considerados como dispositivos de alívio as válvulas de segurança e de alívio discos de ruptura e plugues fusíveis A Figura 422 mostra alguns dispositivos de segurança e sua instalação Figura 422 Dispositivos de segurança controladores de pressão a limitador de alta pressão b plugue fusível não utilizado em instalações industriais c válvula de alívio para vapor e d válvula de alívio para líquido Fonte adaptada de Stoecker e Jabardo 2002 p 298 Existe uma diferença entre dispositivos limitadores de pressão e de alívio Por exemplo na Figura 422a é mostrado um limitador conhecido como pressostato de alta pressão o qual é normalmente instalado no ponto de descarga de compressores O pressostato atua interrompendo a operação do compressor no momento em que a pressão de descarga ultrapassa um valor Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 219 prédeterminado não havendo liberação de refrigerante A instalação do plugue fusível da Figura 422b consiste de uma abertura na qual é fechada quando instalada em um reservatório contendo líquido refrigerante a liga se funde sempre quando a temperatura alcança um valor igual ao de saturação correspondente à pressão do reservatório Este dispositivo não é recomen dado para depósitos de grande porte porque após acionamento acontece a fuga do refrigerante De acordo com a norma NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração o plugue fusível pode ser instalado na parte de cima ou debaixo da linha do refrigerante líquido exceto em vasos situados na região de baixa pressão Os dispositivos de alívio são constituídos por válvulas acionadas por molas onde o alivio é realizado em regiões seja de vapor ou de líquido Algumas válvulas de molas são mostradas nas Figuras 422c e 422d em que o alívio é realizado entre as zonas de vapor e líquido A norma NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração sugere que a instalação de válvulas de segurança ou discos de ruptura devem ser feitos acima do nível de líquido As válvulas de alívio de vapor devem ser instaladas em todos os reservatórios incluindo condensadores e evaporadores Assimile As válvulas ou dispositivos de pressão têm uma função diferente das válvulas de alívio Os dispositivos de pressão consistem em interromper o funcionamento de um equipamento quando a pressão atingida é maior que a estipulada pelo projeto enquanto que a válvula de alívio tem a função de aliviar a pressão para manter a pressão de saturação interna em níveis adequados e estáveis Proteção contra incêndios em câmaras refrigeradas detecção de vazamentos descarga de amônia Temos que incêndios em câmaras refrigeradas acontecem raramente porém quando ocorrem muitas vezes a perda de ativos pode atingir até 10 vezes o valor do imóvel o que causa um grande impacto econômico devido a esta perda Na maioria das vezes não levamos em consideração o número de pallets caixas de papelão plástico para armazenamento espumas como por exemplo o poliuretano e poliestireno que queimam e emitem fumaça e gases tóxicos presentes na instalação os quais acabam sendo combustíveis e podem causar um incêndio Sendo projetista ou operador sempre temos que prevenir o incêndio As causas mais prováveis para que aconteça um incêndio são quando se faz soldas quando há problemas na fiação de aquecimento elétrico de portas ou degelo ou ainda avarias em transformadores carregadores de bateria 220 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor oue outros equipamentos elétricos limpeza malfeita etc STOECKER e JABARDO 2002 O projeto de uma instalação frigorífica deve ser feito a fim de prevenir o incêndio levando em consideração até mesmo o que é exigido pelas segura doras como por exemplo a instalação de sprinklers que devem ser do tipo seco quando temos temperaturas abaixo do ponto de congelamento de água Muitas vezes este tipo de sprinkler seco causa mais problemas do que ajudam sendo evitados se possível Os que são utilizados com frequência são os extin tores devendo ser instalados no exterior da instalação refrigerada Quanto à detecção de vazamentos existem alguns dispositivos automá ticos que podem ser instalados a fim de alertar os operadores sobre a ocorrência de um vazamento Há casos em que os refrigerantes são inodoros e seu vazamento para um ambiente confinado é perigoso para a saúde dos operadores Quando temos como refrigerante a amônia que tem um odor característico fica mais fácil para os operadores perceberem um vazamento porém não deixa de ser perigoso para os operadores Com isso estes dispo sitivos automáticos são bastante interessantes pois várias instalações operam sem uma supervisão direta Atualmente os detectores mais utilizados são aqueles constituídos de material semicondutor os quais funcionam com a variação da resistência elétrica com a quantidade de refrigerante absorvido a qual dependerá da concentração deste no ambiente E se esta variação está fora do permitido esta é transmitida ao centro de alarme automaticamente Quando temos uma instalação de amônia sabemos que algumas fugas da mesma podem ocorrer quando há um alívio de uma linha ou quando está se fazendo uma manutenção em um reservatório Antigamente esta descarga era feita para o esgoto a fim de diluíla ou era liberada diretamente para atmosfera No entanto atualmente há normas e regulamentos para esta descarga visando a proteção do meio ambiente Como consequência da descarga para o esgoto podemos ter o comprometimento da vida aquática danos nas instalações de tratamento de esgoto além do odor característico saindo da rede de esgoto causando alarme Então a regra para se fazer esta descarga seria diluíla ao máximo em água porém em um acidente não haveria tempo de ocorrer essa diluição sendo sugerida a vedação de todos os ralos para que a amônia não chegue à rede de esgotos Quanto à liberação da amônia para a atmosfera atualmente há normas que recomendam descarre gála através de um banho de água no qual a massa de água no tanque deve ser 8 vezes maior que a massa prevista de amônia Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 221 Reflita As normas de segurança ANSIASHRAE 151992 Safety Code for Mecha nical Refrigeration Código de Segurança para Refrigeração Mecânica ANSIIIAR 21999 Equipment Design and Installation of Ammonia Mechanical Refrigeration Systems Equipamentos Projeto e Insta lação de Sistemas de Refrigeração Mecânica de Amônia e a norma Internacional ISO 51491993 Requerimentos de Segurança Sistemas mecânicos de Refrigeração Usados para Arrefecimento e Aquecimento são referidas para instalações frigoríficas Por que a norma ameri cana ANSIASHRAE 151992 Código de Segurança para Refrigeração Mecânica é usada como referência no Brasil e não a norma internacional ISSO 51491993 Requerimentos de Segurança Sistemas mecânicos de Refrigeração Usados para Arrefecimento e Aquecimento Veja que os conceitos e normas tratadas nesta seção ajudaram você a entender e aplicar na vida prática e em situações que envolvam a segurança de uma instalação frigorífica Por esta razão a leitura deste material serve como um complemento para sua vida profissional Sem medo de errar Lembremos que você é um engenheiro que trabalha numa empresa de sistemas de refrigeração que está desenvolvendo um projeto de refrigeração para uma indústria de fabricação de suco concentrado Para este projeto o líder da equipe de engenheiros da qual você faz parte pede para você desen volver o projeto do tipo de reservatório e separador de líquido refrigerante seja vertical ou horizontal do sistema multipressão com duplo estágio de compressão desenvolvido na primeira fase do projeto e verificar se existe a possibilidade de usar um acumulador de aspiração considerando que o sistema de refrigeração para a conservação de suco prevê o uso de um evapo rador Além disso devem ser relatadas as normas de segurança que a empresa deve seguir para realizar suas atividades com segurança e quais os cuidados operacionais que se devem ter com os vasos de pressão tubulações e válvulas e dispositivos de alívio instalados no sistema de refrigeração Finalmente deve ser descrito o sistema de proteção contra incêndios nas câmaras de refrigeração 222 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor Primeiramente vamos lembrar que no projeto inicial foi desenvolvido o sistema de refrigeração multipressão com duplo estágio de compressão que deve estar em operação nas instalações de refrigeração Portanto para o projeto do reservatório e separador de líquido seria indicada a instalação de um reservatório vertical do tipo tanque flashresfriador intermediário pois este tipo de reservatório é indicado para sistemas de duplo estágio de compressão como mostra a Figura 423 Figura 423 Tanque de flashresfriador intermediário Fonte adaptada de Stoecker e Jabardo 2002 p 253 Como mostra a Figura 423 a função importante do tanque flash resfriador é reduzir a temperatura do vapor de descarga do compressor do primeiro estágio de compressão estágio de baixa pressão sendo borbulhado no líquido do tanque Neste processo de agitação deve ser intensificada a transferência de calor reduzindo a temperatura do vapor que é enviado ao segundo estágio de compressão estágio de alta pressão No que se refere ao acumulador de aspiração como sabemos que o sistema de refrigeração tem um evaporador consequentemente o acumulador na linha de aspiração não seria necessário ser instalado pois o reservatório de baixa pressão deverá ser dimensionado para não permitir o escoamento do líquido para a linha de aspiração Lembrese de que caso o sistema de refri geração tiver múltiplos evaporadores inundados de líquido o acumulador na linha de aspiração seria necessário Quanto às normas de segurança das instalações frigoríficas podemos mencionar a norma ANSIASHRAE 151992 Safety Code for Mechanical Refrigeration Código de Segurança para Refrigeração Mecânica e a ANSI IIAR21999 Equipment Design and Installation of Ammonia Mechanical Refrigeration Systems Equipamentos Projeto e Instalação de Sistemas de Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 223 Refrigeração Mecânica de Amônia que destacam a adequada manutenção de equipamento e substituição ou reparo dos equipamentos com defeitos A norma ANSIASHRAE 151992 Código de Segurança para Refrigeração Mecânica é uma das normas mais completas que podem ser adotadas para a segurança e atuação de pessoas quando expostas a refrigerantes em diversas situações como também aos diferentes níveis de fuga de refrigerante e os efeitos causados em áreas ocupadas por pessoas assim como o critério para a seleção de refrigerante A norma brasileira NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração é uma norma relativa a vasos de pressão para refrigeração a qual estabelece que a pressão de projeto deve ser inferior à pressão exercida pelo refrigerante em qualquer situação de operação Para os vasos de pressão a pressão sugerida deverá ser a de saturação do refrigerante para a temperatura estabelecida ou indicada Para o projeto do vaso de pressão você poderá adotar um valor de pressão arredondado acima do valor estabelecido pela norma Para as tubulações e válvulas você deverá indicar a norma ASME B31 Code for Pressure Piping Código para Tubulação de Pressão que trata sobre precauções de retenção de líquido entre duas válvulas fechadas que podem ocasionar a expansão ou evaporação do refrigerante podendo causar rupturas da tubulação entre as duas válvulas Esta norma trata sobre as precauções quanto aos golpes de aríete oriundos da elevação da pressão devido à interrupção do escoamento do refrigerante Quanto às normas para os dispositivos de alívio você poderá utilizar como referência a norma NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração que menciona que todos os dispositivos de alívio devem ser de ação direta por pressão isto é devem atuar de acordo com a pressão do sistema podendo ser válvulas de alívio ou dispositivos limitadores de pressão Lembrese que os dispositivos de alívio têm a função de aliviar a pressão do sistema podendo haver liberação de refrigerante para manter a pressão do sistema constante enquanto que os dispositivos limitadores de pressão conhecidos como pressostato atuam controlando a pressão e inter rompendo a operação do compressor por exemplo caso haja um aumento de pressão Finalmente quanto à proteção contra incêndios você deverá mencionar também a importância de levar em consideração nas instalações a quantidade de pallets caixas de papelão plásticos que podem ocasionar um incêndio Devese ter muito cuidado quando são realizadas soldas em tubulações quando há problemas na fiação elétrica de portas ou degelo avarias nos transformadores carregadores de bateria e demais equipamentos elétricos Muitas vezes pode até ser recomendada a instalação de sprinklers uma vez 224 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor que as seguradoras exigem estes dispositivos na prevenção contra incên dios Você deverá recomendar o uso de extintores e a sua instalação na parte externa do sistema de refrigeração Veja que aplicando os conceitos abordados nesta seção você pôde resolver com êxito o problema relativo à instalação frigorífica podendo tomar decisões e direcionar soluções de problemas que aparecerão em sua vida profissional Projeto de reservatório de líquido Descrição da situaçãoproblema Vamos imaginar que você trabalha numa empresa de projetos de reser vatórios de líquido O seu líder tem um projeto para a construção de um reservatório de líquido para uma instalação frigorífica para compensar as variações na produção e demanda de refrigerante líquido em condensadores e evaporadores O reservatório é horizontal como mostra a Figura 424 com comprimento de 25 m e um diâmetro de 1 m raio igual a 05 m sendo que o líquido contido no reservatório é 60 do volume total O seu líder pede para você determinar qual será o volume de vapor no reservatório e qual a área superficial do líquido uma vez que para o projeto de um reservatório este é um dado importante a ser determinado Avançando na prática Figura 424 Reservatório de refrigerante líquido Fonte elaborada pelo autor Resolução da situaçãoproblema Como o líquido contido no reservatório equivale a 60 do volume total então a altura do volume vazio h será 10 10 06 04 h m m m Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 225 A altura do líquido y será 05 04 01 y m m m Do triângulo retângulo mostrado na Figura 424 determinase o valor de a e então o valor do ângulo q em radianos assim 2 2 2 2 2 05 01 05 01 049 a a m O valor do ângulo q em radianos é 2 049 05 2741 sen q q O volume do vapor é calculado pela seguinte equação 2 2 3 05 2741 03925 073 2 2 r volume de vapor sen L m q q A área superficial do líquido que ocupa os 60 no reservatório será 2 Área superficial 2 204925 245 a L m Finalmente você pôde concluir que o volume de vapor no reservatório é igual a 3 073m e a área superficial a ser considerada para o projeto é de 2 245m 1 A segurança de uma instalação frigorífica é um aspecto importante e sua finalidade é proteger os trabalhadores assim como também as pessoas que circulam ou habitam fora das instalações Geralmente acidentes acontecem em instalações antigas que não cumprem as normas de segurança e por operação de equipamentos inadequados Para que uma instalação frigorífica seja segura devemos levar em consideração alguns aspectos dentre eles os apresentados nas afirmações a seguir I Operação eficaz II Projeto cuidadoso e manutenção periódicaadequada III Quantidade de refrigerante a ser utilizada A partir da avaliação da veracidade das afirmações apresentadas no textobase assinale a alternativa correta É são corretas a A afirmação I apenas b As afirmações I e II apenas c A afirmação III apenas d A afirmação II apenas e As afirmações II e III apenas Faça valer a pena 226 U4 Sistemas de refrigeração e bombas de calor 2 Quando temos que fazer um projeto de um reservatório líquido é necessário fazer o cálculo do volume de vapor do setor cilíndrico de acordo com a figura a seguir Com isso podese determinar a capacidade de armazenamento de líquido da seguinte maneira 2 2 r volume de vapor sen L onde em radianos q q q Setor cilíndrico ABC para cálculo do volume Fonte Stoecker e Jabardo 2002 p 254 Qual será o volume do vapor e o de líquido respectivamente para um reservatório cilíndrico horizontal de 3 m de comprimento uma vez que este apresenta uma seção transversal com um diâmetro de 16 m Considere que a altura do líquido será 35 do diâmetro da figura apresentada no textobase a 6029 3 m e 3772 3 m b 3257 3 m e 6029 3 m c 2257 3 m e 3772 3 m d 2772 3 m e 6029 3 m e 3257 3 m e 2772 3 m 3 Para o projeto e instalação de tubulações é recomendada a adoção da norma ASME B31 Code for Pressure Piping Código para Tubulação de Pressão Como principais recomendações são sugeridas algumas precauções a serem consideradas 1 A retenção de líquido entre duas válvulas fechadas deve ser considerada devido à expansão volumétrica do refrigerante resultado da evaporação 2 Os golpes de aríete ou de líquido resultantes das condições internas ou externas devem ser considerados no projeto de tubulação e seus acessórios 3 A tubulação deve ser disposta e ancorada de modo a suportar vibrações e resistir às forças de reação resultantes da carga ou descarga de fluidos Com isso avalie as seguintes asserções e a relação entre elas proposta I A expansão do refrigerante devido à retenção de líquido entre duas válvulas Seção 43 Reservatórios e normas de segurança 227 fechadas assim como os golpes de aríete estão relacionados com o aumento da pressão PORQUE II O aumento de pressão pode gerar um aumento volumétrico podendo ocorrer vibrações na tubulação A respeito dessas asserções assinale a alternativa correta a As asserções I e II são proposições verdadeiras e a II justifica a I b As asserções I e II são proposições verdadeiras e a II não justifica a I c A asserção I é uma proposição verdadeira e a II falsa d A asserção I é uma proposição falsa e a II verdadeira e Ambas as asserções são proposições falsas ASME B31 Code for Pressure Piping American Society of Mechanical Engineers New York NY 1988 GUILHERMETTI R M L Uso de bombas de calor em processos industriais Disponível em httpsitespoliuspbrdpme26002007ArtigosArtTCC0122007pdf 2007 Acesso em 14 dez 2018 MORAN M J SHAPIRO H N BOETTNER D D BAILEY M B Princípios de Termodinâmica para Engenharia Tradução Robson Pacheco Pereira Gisele Maria Ribeiro Vieira Paulo Pedro Kenedi Fernando Ribeiro da Silva 8 ed Rio de Janeiro LTC 2018 862 p NORMA ABNT NBR 135981996 Vasos de Pressão para Refrigeração ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas 1996 NORMA ANSIIIAR21999 Equipment Design and Installation of Ammonia Mechanical Refrigeration Systems International Institute of Ammonia Refrigeration Arlington VA 1999 NORMA ANSIASHRAE 151992 Safety Code for Mechanical Refrigeration American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Atlanta GA 1992 NORMA ISO 51491993 Requerimentos de Segurança Sistemas mecânicos de Refrigeração Usados para Arrefecimento e Aquecimento traduzida pelo grupo de componentes para Refrigeração e Condicionamento de Ar ABIMAQ 1995 STOECKER W F JONES J W Refrigeração e Ar Condicionado Tradução José M Saiz Jabardo Euryale Zerbine Silvio de Oliveira Júnior e Saburo Ikeda São Paulo McGrawHill do Brasil 1985 481p STOECKER W F JONES J W Refrigeration and Air Conditioning Second Edition New York McGrawHill Publishing Company 1983 464p STOECKER W F JABARDO J M S Refrigeração Industrial 2 ed São Paulo Editora Edgard Blücher Ltda 2002 384p Referências