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Prof Alexandre Bittencourt de Sá REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO AULA 08 CARGA TÉRMICA DE REFRIGERAÇÃO CARGA TÉRMICA O objetivo principal do cálculo de cargas térmicas é a estimativa da capacidade dos vários componentes do sistema necessárias para manter um determinado nível de conforto no ambiente baseados em condições ambientais próximas dos extremos normalmente encontrados temperaturas umidade e insolação Carga Térmica de Climatização Carga Térmica Frigorífica CARGA TÉRMICA Varia com o tempo temperatura externa insolação número de pessoas etc Radiação solar através de superfícies transparentes tais como vidros das janelas Condução de calor através das paredes externas e telhados Condução de calor através das paredes internas divisórias tetos e pisos Calor gerado dentro do ambiente pelos ocupantes luzes equipamentos desenvolvimento de processos ou qualquer outra fonte geradora de calor Calor proveniente da ventilação ar exterior e infiltração de ar exterior Calor gerado por outras fontes CARGA TÉRMICA Calor sensível e latente A seleção correta do equipamento para umidificação ou desumidificação e resfriamento é feita levandose em consideração os valores de calor sensível e latente O ganho de calor sensível devido à transmissão por radiação condução ou convecção ou devido ainda a estas formas simultaneamente O ganho de calor latente quando a umidade é adicionada ao ambiente há uma quantidade de energia associada com esta umidade que precisa ser considerada Vapor dágua liberado pelas pessoas etc Neste caso se a umidade precisa ser mantida constante no ambiente então o vapor dágua que precisa ser condensado no equipamento é igual ao valor que é produzido no ambiente CARGA TÉRMICA A carga térmica de um ambiente é composta por Condução Insolação Dutos Equipamentos Infiltração Ventilação Carga de calor sensível Carga de calor sensível e latente CONDUÇÃO A expressão simplificada para o cálculo da espessura do isolante é ሶ𝑄𝐴 𝑘𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇𝑐â𝑚𝑎𝑟𝑎 𝐿𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐿𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑘𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇𝑐â𝑚𝑎𝑟𝑎 ሶ𝑄𝐴 Cálculo realizado desprezandose resistência imposta pela convecção interna e externa valor conservador Delta T utilizado depende se câmara está exposta ao sol ou não ISOLANTES Apresentar baixa densidade Ser inerte e não possuir cheiro Imputrescível Baixa permeabilidade Boa resistência à difusão de água Não ser atacado por roedores Não deformar quando exposto a diferentes temperaturas Possuir boa resistência mecânica Baixo custo Não ser inflamável ISOLAMENTO CÂMARA Piso Se câmara opera a temperaturas elevadas Transmissão de calor será baixa Se câmara opera a baixas temperaturas Text TBU do ambiente Atenção congelamento do piso TRANSFERÊNCIA DE CALOR A condução ocorre através das paredes do telhado das janelas das divisórias vidros pisos ሶ𝑄 𝑇 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑈𝐴 𝑇𝑒 𝑇𝑖 U coeficiente global de transferência de calor Wm²K A área superficial de troca m² 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 1 ℎ𝐴 𝐿 𝑘𝐴 1 ℎ𝐴 COEFICIENTES GLOBAIS E CONVECTIVOS TÍPICOS Elemento Tipo U Wm2K Paredes Tijolo de 6 furos com espessura de 125 cm 239 Tijolo de 6 furos com espessura de 17 cm deitado 208 Tijolo de 8 furos rebocado de 125 cm 249 Tijolo de 4 furos rebocado de 125 cm 259 Tijolo maciço aparente de 9 cm 404 Tijolo maciço rebocado de 12 cm 357 Tijolo maciço rebocado de 26 cm 245 Janelas Vidro comum de 3 mm 579 Cobertura Laje de concreto de 10 cm fibrocimento verão não ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm fibrocimento verão bem ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm fibrocimento inverno não ventilado 286 Laje de concreto de 10 cm fibrocimento inverno bem ventilado 389 Laje de concreto de 10 cm cerâmica verão não ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm cerâmica verão bem ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm cerâmica inverno não ventilado 287 Laje de concreto de 10 cm cerâmica inverno bem ventilado 389 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento verão não ventilado 20 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento verão bem ventilado 20 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento inverno não ventilado 279 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento inverno bem ventilado 375 Forro de pinus de 1 cm cerâmica verão não ventilado 201 Forro de pinus de 1 cm cerâmica verão bem ventilado 201 Forro de pinus de 1 cm cerâmica inverno não ventilado 279 Forro de pinus de 1 cm cerâmica inverno bem ventilado 375 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio verão não ventilado 111 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio verão bem ventilado 111 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio inverno não ventilado 204 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio inverno bem ventilado 375 Sentido do fluxo Paredes exteriores Paredes interiores Paredes exteriores sujeitas a vento hi he hi he Tipo de vento Velocidade he Wm2K Wm2K Wm2K Wm2K ms Wm2K Horizontal 8 20 8 8 Fraco 1 13 Vert ascendente 11 20 10 10 Médio 3 21 Vert descendente 6 20 6 6 Forte 9 35 Para o ar parado h varia de 713 a 776 kcalhm²C Para o ar a 12 kmh h é de 195 kcalhm²C Para o ar a 24 kmh h é de 293 kcalhm²C CONDIÇÕES AMBIENTAIS NBR 6401 inverno verão CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO A energia solar é concentrada na faixa visível da luz e na região infravermelha do espectro da radiação Somente 1373 kWm2 da radiação alcança a superfície da terra quando a direção dos raios solares é vertical para um céu limpo O guia ASHRAE estabelece equações para avaliar o total de radiação recebida do céu pela superfície da terra A quantidade recebida depende das variações sazonais da constante de umidade da distância solterra da variação angular com as vizinhanças e das superfícies refletoras mais relevantes CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO Parede opaca exposta à radiação solar e sujeita a uma determinada diferença de temperatura entre os ambientes que esta parede separa a intensidade do fluxo térmico ሶ𝑄 que atravessa essa parede por efeito da radiação solar incidente e da diferença de temperatura do ar é dada pela seguinte expressão ሶ𝑄 𝑈 𝛼𝐼𝑔 ℎ𝑒 𝑡𝑒 𝑡𝑖 𝑊 𝑚2 Onde U coeficiente global de transferência de calor Wm2K te Temperatura do ar externo C ti Temperatura do ar interno C α Coeficiente de absorção de radiação solar adimensional Ig Intensidade de radiação solar incidente global Wm2 he Coeficiente de transferência de calor externo Wm2K CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO A expressão anterior pode ser disposta da seguinte forma ሶ𝑄 𝑈𝛼𝐼𝑔 ℎ𝑒 𝑈 𝑡𝑒 𝑡𝑖 𝑆𝑜𝑝 𝛼𝑈 ℎ𝑒 é fator de ganho solar de material opaco enquanto que o termo UΔt corresponde às trocas de calor por diferenças de temperatura podendo representar ganho quando a temperatura externa é maior que a interna ou perda quando ocorrer o inverso 𝑈𝛼𝐼𝑔 ℎ𝑒 se refere ao ganho de calor solar sendo COEFICIENTE DE ABSORTIVIDADE Superfície Absorção para radiação solar α Preto fosco 085 a 095 Tijolo ou pedra ou telha de cor vermelha 065 a 080 Tijolo ou pedra de cor amarela e couro 050 a 070 Tijolo ou pedra ou telha de cor amarela 030 a 050 Vidro da Janela Transparente Alumínio ouro bronze brilhantes 030 a 050 Latão alumínio fosco aço galvanizado 040 a 065 Latão e cobre polidos 030 a 050 Alumínio e cromo polidos 010 a 040 Cor Absorção para radiação solar α Branca 020 a 030 Amarela laranja vermelha clara 030 a 050 Vermelha escura verde clara azul clara 050 a 070 Marrom clara verde escura azul escura 050 a 090 Marrom escura preta 090 a 100 CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO No caso de uma parede transparente ou translúcida exposta à incidência da radiação solar e sujeita a uma determinada diferença de temperatura entre os ambientes que separa a intensidade do fluxo térmico q que atravessa uma parede transparente ou translúcida deve incorporar em comparação com a parede opaca a parcela que penetra por transparência ou seja a transmissividade do material vitreo ሶ𝑄 𝛼𝑈 ℎ𝑒 𝜏 𝐼𝑔 𝑈 𝑡𝑒 𝑡𝑖 𝑊 𝑚2 𝑆𝑡𝑟 𝛼𝑈 ℎ𝑒 𝜏 é o fator solar referente à radiação solar global transmitida pelo vidro Para o vidro comum temse 𝛼 007 𝜌 008 𝜏 085 𝑈 57 𝑊 𝑚2𝐾 1 ℎ𝑒 005 𝑚2𝐾 𝑊 𝑆𝑡𝑟 087 TABELA FATOR SOLAR Tipo de vidro Fator solar Vidro comum transparente de uma lâmina 086 Vidro cinza sombra de uma lâmina 066 Vidro atérmico verde claro de uma lâmina 060 Vidro atérmico verde escuro de uma lâmina 049 Vidro cinza sombra usado com vidro comum transparente 045 Vidro atérmico verde claro usado com vidro comum transparente 039 Vidro atérmico verde escuro usado com vidro comum transparente 022 Tipo de proteção Cor do elemento Clara Média Escura Preta Persiana externa de madeira de 1cm vertical 005 008 010 013 Persiana externa de madeira de 2cm vertical 004 007 009 011 Persiana externa metálica vertical 007 010 013 016 Persiana externa de madeira projetada à italiana 009 009 010 011 Persiana externa metálica projetada à italiana 010 011 012 014 Veneziana entre vidros de lâminas a 45 024 031 038 044 Cortina opaca entre vidros 021 028 036 043 Cortina pouco transparente entre vidros 024 032 040 Persiana interna de lâminas finas vertical 039 050 060 070 Persiana interna de lâminas finas a 45 051 062 070 076 Cortina interna opaca 034 045 057 066 Cortina interna pouco transparente 036 047 059 Cortina interna muito transparente 039 050 051 RADIAÇÃO SOLAR WM2 LATITUDE 30 SUL 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S 142 188 143 78 63 68 65 68 63 78 143 188 142 22 de dezembro SE 330 563 586 502 345 116 65 68 63 58 50 43 25 L 340 633 715 667 517 309 65 68 63 58 50 43 25 NE 165 357 456 475 422 311 146 68 63 58 50 43 25 N 25 43 50 58 117 170 179 170 117 58 50 43 25 NO 25 43 50 58 63 68 146 311 422 475 456 357 165 O 25 43 50 58 63 68 65 309 517 667 715 633 340 SO 25 43 50 58 63 68 65 116 345 502 586 563 330 H 114 345 588 804 985 1099 1134 1099 985 804 588 345 114 S 0 28 45 50 58 63 63 63 58 50 45 28 0 22 de março 22 de setembro SE 16 270 351 261 101 63 63 63 58 50 45 28 0 L 23 421 651 649 518 309 63 63 58 50 45 28 0 NE 16 343 596 686 666 565 406 216 58 50 45 28 0 N 0 80 219 347 458 526 548 526 458 347 219 80 0 NO 0 28 45 50 58 216 406 565 666 686 596 343 16 O 0 28 45 50 58 63 63 309 518 649 651 421 23 SO 0 28 45 50 58 63 63 63 101 261 351 270 16 H 0 144 388 617 808 928 964 928 808 617 388 144 0 S 3 23 38 45 50 50 50 45 38 23 3 21 de junho SE 14 72 38 45 50 50 50 45 38 23 3 L 35 278 429 387 244 50 50 45 38 23 3 NE 37 333 602 682 641 524 364 198 48 23 3 N 20 207 445 604 691 720 691 604 445 207 20 NO 3 23 48 198 364 524 641 682 602 333 37 O 3 23 38 45 50 50 244 387 429 278 35 SO 3 23 38 45 50 50 50 45 38 72 14 H 6 101 280 446 558 594 558 446 280 101 6 CARGAS TÉRMICAS INTERNAS A previsão da carga térmica a ser gerada no interior do edifício é fundamental no que respeita às decisões de projeto referentes ao partido arquitetônico a ser adotado sendo sempre função das exigências funcionais e humanas para os diferentes tipos de clima Em se tratando da carga térmica interna ao edifício as fontes podem ser classificadas como a presença humana b sistemas de iluminação artificial c motores e equipamentos d processos industriais PRESENÇA HUMANA A quantidade de calor dissipada pelo organismo humano para o ambiente depende essencialmente de sua atividade Atividade Calor metabólico W Calor sensível W Calor Latente W Durante o sono basal 80 40 40 Sentado em repouso 115 63 52 De pé em repouso 120 63 57 Sentado trabalhos manuais 130 65 65 Escritório atividade moderada 140 65 75 De pé trabalho leve 145 65 80 Datilografando rápido 160 65 95 Lavando pratos 175 65 110 Confeccionando calçadosroupas 190 65 125 Andando 220 75 145 Trabalho leva em bancada 255 80 175 Garçom 290 95 195 Descendo escada 420 140 280 Serrando madeira 520 175 345 Nadando 580 Subindo escada 1280 Esforço máximo 870 a 1400 Estes valores refletem o calor liberado por um homem adulto Uma mulher adulta libera 85 deste valor e uma criança independente do sexo libera 75 do valor para um adulto do sexo masculino conforme norma NBR 6401 SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL Lâmpadas incandescentes convertem apenas 10 de sua potência elétrica em luz sendo que dos 90 restantes 80 se dissipa na forma de radiação e os outros 10 em convecção Lâmpadas fluorescentes convertem 25 de sua potência elétrica em luz sendo 25 dissipado por radiação e 50 dissipado por convecção O reator da lâmpada fluorescente fornece mais 25 da potência nominal da lâmpada sob a forma de calor para o ambiente Mas como a luz também se transforma em calor depois de absorvida pelos materiais no caso de iluminação com lâmpadas incandescentes adotase como carga térmica a potência instalada nominal Para as lâmpadas fluorescentes deve ser considerado 125 da potência nominal devido ao calor gerado pelos reatores SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL Local Tipo de iluminação Nível iluminação LUX Potência dissipada Wm2 Escritórios Fluorescente 1000 40 Lojas Fluorescente 1000 50 Residências Incandescente 300 30 Supermercados Fluorescente 1000 35 Barbearias e Salões beleza Fluorescente 500 20 Cinemas e teatros Incandescente 60 15 Museus e bibliotecas FluorIncand 500 500 45 70 Restaurantes FluorIncand 150 150 15 25 Bancos Fluorescente 1000 35 Auditórios Tribuna Incandescente 1000 50 Auditórios Platéia Incandescente 500 30 Auditórios Sala de espera Incandescente 150 20 Hotéis Banheiros Incandescente 150 25 Hotéis Corredores Incandescente 100 15 Hotéis Sala de leitura FluorIncand 500 500 45 70 Hotéis Quartos Incandescente 500 35 Hotéis Salas de reuniões Incandescente 150 20 Hotéis Portariarecepção Incandescente 250 35 MOTORES E EQUIPAMENTOS O calor dissipado por motores para o ambiente é função de sua potência e de suas características Em geral os motores de potência mais baixa têm menor rendimento Os motores que operam dentro do espaço climatizado promovem a seguinte carga térmica 𝑄𝑚 𝑃 𝜂 Mas quando operam dentro do recinto e jogam calor para fora como elevadores etc temse 𝑄𝑚 𝑃 1𝜂 𝜂 Potência do motor W η 368 060 368 a 2208 068 2209 a 14720 085 Qm Calor emitido pelos motores em W P Potência dos motores em W η Rendimento aproximado do motor MOTORES E EQUIPAMENTOS No que se refere aos equipamentos adotase como calor cedido ao ambiente cerca de 60 da potência nominal dos aparelhos elétricos a não ser os aparelhos cuja função seja aquecer como no caso de secador de cabelos cafeteiras etc Aparelhos Potência W Aparelhos Potência W Aquecedor elétrico residencial 1500 Geladeiras comerciais 1000 Aquecedor elétrico comercial 3000 a 6000 Geladeiras domésticas 300 Aspirador de pó 250 a 800 Rádio 150 Barbeador 15 Televisão 400 Cafeteira 1500 a 2000 Secador de cabelos 1200 Exaustor 500 Secador de roupas 5000 Ferro elétrico a vapor 1200 Torradeira 1200 Fogão elétrico 4000 a 6000 Ventilador de mesa 150 Chuveiro elétrico 1500 a 7700 Ventilador de teto 200 MOTORES E EQUIPAMENTOS Motores dentro da câmara 𝑞 𝑃 𝑛 36 𝜂 Motores fora da câmara 𝑞 𝑃 𝑛 36 q kJ24h carga térmica associada aos motores P W Potência dos motores n h24h Número de horas de operação por dia ɳ Eficiência dos motores CARGAS DIVERSAS Iluminação 𝑞 𝑃 𝑛 36 Calor cedido por pessoas 𝑞 𝑛 𝑞 𝑛𝑝 q kJ24h carga térmica associada à iluminação P W Potência das lâmpadas q kJ24h carga térmica associada à ocupação por pessoas n número de pessoas que circulam na câmara q kJh calor gerado por pessoa Np h número médio de horas que cada pessoa fica na câmara Temperatura da câmara em C Calor equivalente por pessoa em kJh 10 75886 5 87225 0 97692 5 108159 10 116882 15 130838 20 141305 Calor cedido pelas pessoas em função da temperatura do ambiente VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR A ventilação proporciona a renovação do ar do ambiente sendo de grande importância para a higiene em geral e para o conforto térmico de verão em regiões de clima temperado e em regiões de clima quente e úmido A renovação de ar dos ambientes proporciona a dissipação de calor e a desconcentração de vapores fumaça poeiras e de poluentes A ventilação pode ser também feita por meios mecânicos de forma a realizar trocas de ar do ambiente para promover critérios de saúde e segurança aos ocupantes de acordo com a atividade Temse valores típicos de infiltração de ar para janelas e portas para as mais diversas aplicações Estes valores são utilizados somente quando a pressão no interior não é positiva ou seja quando não há insuflamente de ar externo junto com o ar condicionado por exemplo aparelho de janela VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR Tipo de abertura Vazão de ar m3h Frestas Janelas comuns 30 Frestas Janelas basculantes 30 Frestas Janelas guilhotina madeira bem ajustada 65 Frestas Janelas guilhotina madeira mal ajustada 20 Frestas Janelas guilhotina metalica sem vedação 45 Frestas Janelas guilhotina metalica com vedação 18 Frestas Portas mal ajustadas 130 Frestas Portas bem ajustadas 65 Porta giratória 18m Porta vai e vem 09 m Portas de Bancos 110 140 Portas de Barbearias 70 90 Portas de Drogarias e Farmácias 100 120 Portas de Escritórios 90 90 Portas de Lojas em geral 120 140 Portas de Restaurantes 30 40 Portas de Lanchonetes 70 90 Portas abertas até 90cm 13500 Portas abertas de 90cm a 180 m 20000 Porém apesar da infiltração existem edificações cuja finalidade do ambiente deva proporcionar uma renovação maior de ar externo maior Para estas aplicações é utilizada a norma 16401 que estabelece condições de vazão de ar por pessoa que ocupa o recinto e por metro quadrado de instalação A vazão efetiva total deve ser composta por uma soma destes dois fatores VAZÃO VOLUMÉTRICA Local Pessoas100m2 Fp lspessoas Fa lsm2 Supermercado de alto padrão 8 48 04 Supermercado de médio padrão 10 48 04 Supermercado popular 12 48 04 Centros comerciais 40 48 04 Lojas 15 48 08 Salão de beleza 25 125 08 Pet shops 10 48 11 Lavanderias 20 48 04 Hall de edifícios recepção 10 31 04 Escritórios de diretoria 6 31 04 Escritórios de baixa densidade 11 31 04 Escritórios de média densidade 14 31 04 Escritórios de alta densidade 20 31 04 Sala de reunião 50 31 04 CPD 4 31 04 Call center 60 48 08 Bancos área pública 41 48 04 Caixa forte 5 31 04 Saguão de aeroporto 15 53 04 Sala de embarque de aeroportos 100 53 04 Biblioteca 10 35 08 Museu e galeria de arte 40 53 04 Local de culto 120 35 04 Plenário de legislativo 50 35 04 Lobby de teatro cinema e auditório 150 35 04 Platéia de teatro cinema e auditório 150 35 04 Palco de teatro cinema e auditório 70 63 04 Sala de audiências de tribunal 70 35 04 Boliche 40 63 08 Ginásio área do público 150 48 04 Ginásio coberto 04 Piscina coberta 30 Academia aeróbica 40 125 04 Academia aparelhos 10 63 08 Sala de aula 35 63 08 Laboratório de informática 25 63 08 Laboratório de ciências 25 63 11 Apartamento de hóspedes 69 Banheiro privativo de hotéis 25 Sala de estar e lobby de hotéis 30 48 04 Sala de convenções 120 31 04 Dormitório coletivo 20 31 04 Salão de refeições de restaurante 70 48 11 Salão de coquetéis de bares 100 48 11 Cafeteria lanchonete e refeitórios 100 48 11 Salão de jogos 120 48 11 Discoteca e danceterias 100 125 04 Jogos eletrônicos 20 48 11 ሶ𝑉 𝐹𝑝 𝑛𝑝 𝐹𝑠 𝐴 1000 𝑚3 𝑠 VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR Calculado através de ሶ𝑄𝑠 123 ሶ𝑉 𝑇𝑒 𝑇𝑖 ሶ𝑄𝑙 3000 ሶ𝑉 𝑤𝑒 𝑤𝑖 Considerar parcela de calor latente somente se o ar for umidificado durante o processo de climatização 𝜌𝑎𝑟 Massa específica do ar 12 kgm3 𝑐𝑝𝑎𝑟 Calor específico do ar 1009 JkgK ሶ𝑄𝑠 𝜌𝑎𝑟 𝑐𝑝𝑎𝑟 ሶ𝑉 𝑇𝑒 𝑇𝑖 VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR A carga térmica devido à infiltração de ar está relacionada com a entrada de ar quente ar externo e com a saída de ar frio da câmara frigorífica através de portas ou quaisquer outras aberturas A quantidade de ar que entra em câmara pode ser estimada entre outras formas a partir do fator de troca de ar FTA de uma câmara sendo este por sua vez dependente do volume e tipo da câmara FATOR DE TROCA DE AR FTA O FTA expressa o número de trocas de ar por dia trocasdia da câmara FATOR DE TROCA DE AR FTA Uma vez que se conhece o volume de ar externo que entra na câmara por dia podese determinar a carga de infiltração pela equação ሶ𝑄 𝑉𝑐𝑎𝑚𝐹𝑇𝐴 𝐻 onde Vcam é o volume da câmara em m3 e H referese ao calor cedido por metro cúbico de ar que entra na câmara CARGA TÉRMICA DE CLIMATIZAÇÃO A climatização de ambientes possui três principais aplicações importantíssimas para a vida moderna A satisfação do homem permitindolhe se sentir termicamente confortável A performance humana as atividades intelectuais manuais e perceptivas geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em conforto térmico A conservação de energia ao conhecer as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes do ambiente evitamse desperdícios com calefação e refrigeração muitas vezes desnecessários sendo possível a escolha de equipamentos mais adequados e de menor consumo energético para uma determinada finalidade CARGA TÉRMICA DE CLIMATIZAÇÃO O homem é um ser homeotérmico Seu organismo é mantido a uma temperatura interna sensivelmente constante na ordem de 37C com limites muito estreitos variando entre 361C e 372C sendo 32C o limite inferior e 42C o limite superior para garantir a vida O ser humano pode ser comparado a uma máquina térmica com um rendimento muito baixo na ordem de 20 A parcela restante cerca de 80 se transforma em calor que deve ser dissipado para que o organismo seja mantido em equilíbrio A TEMPERATURA INTERNAS DE PROJETO NBR 6401 TBS C UR 20 a 22 35 a 65 Condições recomendadas para o inverno Temperaturas de bulbo seco interna e externa Aquecimento temperatura interna de 20 a 22 C Resfriamento temperatura interna de 24 a 26 C Umidade relativa Inverno mínimo de 30 Verão máximo de 60 CARGA TÉRMICA FRIGORÍFICA Instalações frigoríficas são conjuntos de câmaras frias que permitem refrigerar congelar e conservar pelo frio produtos perecíveis além de toda Infra estrutura casa de máquinas subestação serviços de administração oficinas de manutenção vestiários sanitários etc necessária para seu funcionamento O cálculo da carga térmica de câmaras frigoríficas estabelece as corretas condições climáticas do local e as condições internas da câmara para resfriamento congelamento e armazenamento de produtos Outros fatores a ser considerados no cálculo de cargas térmicas em câmaras frigoríficas Carga térmica decorrente da transmissão de calor pelas paredes teto e piso Carga térmica decorrente dos produtos contidos na câmara Carga térmica decorrente da infiltração de ar externo quando da abertura e fechamento das portas de acesso das câmaras Carga térmica decorrente das luzes pessoas e de outras fontes de calor no interior da câmara PARÂMETROS DE PROJETO CONDENSADORES À ÁGUA Temp saída da água Temp entrada da água 5 C a 10 C Temp condensação do fluido refrigerante Temp saída da água 2 C a 4 C CONDENSADORES A AR Temp saída do ar Temperatura de entrada do ar 3 C a 6 C Temp condensação do fluido refrigerante temperatura de entrada do ar 5C a 15C PARÂMETROS DE PROJETO TEMPERATURA DE ENTRADA E SAÍDA DO AR EVAPORADOR A AR Temp entrada do ar no evaporador T ar entrada T ar entrada T câmara T Temp saída do ar no evaporador T ar saída T ar saída T câmara 2 C a 4 C Temperatura de evaporação do fluido refrigerante T e T e T câmara 6 C a 11 C PARÂMETROS DE PROJETO Importante para reduzir a perda de umidade dos alimentos pequenos T e grandes áreas de troca térmica T e adotado T câmara 6C No evaporador O fluido refrigerante recebe calor do ar O ar perde calor para o fluido refrigerante Q ar m ar cp ar T ar saída T ar entrada DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Clima O clima onde a instalação será realizada entra como um fator importante para o cálculo de ganho de calor pelas paredes piso e teto seleção do condensador e ventilação Preferivelmente devem ser utilizados dados estatísticos ao invés de valores isolados Dentre os principais itens relacionados ao clima destacamse a Temperatura de bulbo seco TBS média para o mês mais quente b Umidade relativa ϕ ou temperatura de bulbo úmido TBU para o mesmo mês c TBS máxima que se pode esperar neste mês e a quantidade de dias Água a Qual a origem da água municipal riacho mar poço etc b Qual a quantidade disponível c Qual a quantidade máxima e média durante a estação mais quente do ano DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Energia a Como a energia elétrica está disponível voltagem ciclagem b Qual a máxima energia que pode ser fornecida sem limites ou em kWh Produto a Qual o tipo de produto b Qual a quantidade de cada produto a ser resfriado ou congelado por dia ou hora c Quais as temperaturas de recebimento ou processamento d Qual a entrada diária na câmara e Qual o acondicionamento utilizado Caixa tambores baldes etc f Quais as características físicas do produto g Quais as finalidades do produto venda direta distribuição matéria prima etc h Qual o tipo de movimentação que recebe DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Descrição da Instalação a A localização b As dimensões c Outras observações se de produção trânsito ou consumo Condições do local a Cópia ou esboço do prédio existente ou em estudo b A área disponível de terreno ou prédio c A orientação latitude altitude d Se há a liberdade de planejamento DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Tipos de Câmaras a Câmaras de armazenagem ou estocagem b Câmaras de resfriamento c Câmaras ou túneis de congelamento d Antecâmaras e Câmaras comerciais balcões frigoríficos congeladores etc f Câmaras domésticas geladeiras congeladores etc DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Dimensões da Câmara A dimensão de uma câmara frigorífica deve levar em conta a quantidade de produto a ser armazenado espaço para circulação altura do empilhamento e espaço ocupado pelos evaporadores prateleiras ganchos etc Como valores de referência de forma a uma primeira orientação para se determinar as dimensões da câmara podese utilizar a densidade de armazenagem indicada Produto Quantidade kgm3 Carne refrigerada pendurada porco 80 Carne refrigerada pendurada peça grande 100 Carne congelada com osso 250 Carne congelada sem osso 530 Sorvetes 180 Ovas em caixaprateleira 4340 260 Verduras 180380 Doce 330 Frango 380 Ovos resfriados 400 Frutas em caixa 440 Massas 500 Manteiga 500 Congelados 540 DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Sistemas de congelamento Para levar o produto à temperatura desejada são empregados os chamados congeladores que podem ser tanto com circulação natural como circulação forçada do ar As câmaras com circulação natural do ar são adotadas para a conservação de produtos altamente desidratáveis como frutas e verduras As câmaras com circulação forçada adotam evaporadores de tubos lisos ou aletados com circulação do ar por meio de ventiladores Esta solução é adotada normalmente na disposição tendal para armazenagem em curto prazo de carnes resfriadas resfriamento rápido de carne fresca congelamento rápido de carne em túneis com circulação longitudinal ou transversal na armazenagem em pallets dos frigoríficos polivalentes etc PRODUTOS Geralmente corresponde à maior porcentagem da carga térmica de câmaras de resfriamento e congelamento composta basicamente das seguintes parcelas Calor sensível antes do congelamento calor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperatura desde a temperatura de entrada na câmara até a temperatura de início de congelamento ou no caso em que o produto somente vai ser resfriado a sua temperatura final Calor sensível após o congelamento calor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperatura desde a temperatura de congelamento até a temperatura final Calor de respiração calor liberado na câmara devido ao processo de respiração de frutas frescas e vegetais A liberação deste calor de respiração calor vital varia com a temperatura PRODUTOS 1 Calor sensível antes do congelamento calor retirado do produto para reduzir sua temperatura desde temperatura de entrada até ponto de congelamento 2 Calor latente de congelamento mudança de fase 3 Calor sensível após o congelamento calor retirado do produto para reduzir sua temperatura desde temperatura de congelamento até temperatura de saída 4 Calor de respiração calor associado à respiração de frutas e verduras 𝑞 ሶ𝑚 𝑐𝑝1 𝑇𝑒𝑛𝑡 𝑇𝑐 ℎ𝑐𝑔 𝑐𝑝2 𝑇𝑐 𝑇𝑠𝑎𝑖 𝑚𝑡𝑞𝑟𝑒𝑠𝑝 q kJ24h Carga térmica referente aos produtos ሶ𝑚 kg24h movimentação de produto cp1 kJkgK calor específico antes do congelamento cp2 kJkgK calor específico após congelamento Tent C temperatura de entrada do produto Tc C temperatura de congelamento hcg kJkg calor latente de congelamento Tsai C temperatura de saída do produto mt kg massa total de produto estocado qresp kJkgdia calor assoado à respiração do produto PRODUTOS NA CÂMARA Dados para alguns produtos propriedades termofísicas dos alimentos PRODUTO Temperatura conservação UR conservação Tc cp1 cp2 ℎ𝑐𝑔 𝑞𝑟𝑒𝑠𝑝 Tempo conservação Abacate 70 a 130 85 a 90 27 381 205 31820 120 Alface 00 90 a 95 04 402 201 31820 2721 90120 Aves frescas 00 85 a 90 331 7 Aves congeladas 290 90 a 95 28 155 24702 270300 Carne de vaca fresca 10 a 10 88 a 92 322 7 a 42 Carne de vaca cong 150 90 a 95 17 167 23446 180270 Cebola 00 70 a 75 10 377 193 28889 1256 180240 Laranjas 00 a 10 85 a 90 22 377 193 28889 0921 5684 Maçãs 10 a 00 85 a 90 20 360 188 28052 1047 60180 Morango fresco 05 a 00 85 a 90 385 3391 7 a 10 Peixe congelado 180 85 a 90 17 188 28470 90120 Pêssegos 05 a 00 85 a 90 377 1298 1428 INFILTRAÇÃO DE AR EXTERNO Fator de Troca de Ar FTA depende do volume da câmara número de vezes que a câmara é aberta e do desenho da câmara 𝑞 𝑉𝑐𝑎𝑚 𝐹𝑇𝐴 Δℎ𝑡𝑟𝑜𝑐𝑎 Q kJ24h carga térmica associada à infiltração de ar externo Vcam m³ Volume da câmara FTA trocas por dia 24h Fator de Troca de Ar Δhtroca kJm³ Diferença entre entalpia do ar externo e do ar interno Carta Psicrométrica INFILTRAÇÃO DE AR EXTERNO Fator de Troca de Ar FTA depende do volume da câmara número de vezes que a câmara é aberta e do desenho da câmara CARGA TÉRMICA TOTAL CAPACIDADE FRIGORÍFICA Uma vez determinadas todas as parcelas da carga térmica o passo seguinte será determinar a capacidade frigorífica do sistema evaporadores e compressores As parcelas da carga térmica foram determinadas para um dia em kcaldia Porém o compressor e os evaporadores do sistema frigorífico não deve operar 24 horas por dia o que exige uma fixação do seu tempo de operação para a determinação de sua capacidade frigorífica CARGA TÉRMICA TOTAL CAPACIDADE FRIGORÍFICA 𝑞𝑡 σ𝑖 𝑞𝑖 203600 𝑘𝑊 O Cálculo da carga térmica é feito normalmente para 24 horas no entanto o equipamento de refrigeração não deve funcionar 24 horas por dia a fim de permitir o descongelamento diário do evaporador Ex considerando operação do equipamento por 20hdia PLANEJAMENTO Semana Conteúdo 1 14092020 Fundamentos de refrigeração e termodinâmica aplicada à refrigeração 2 21092020 COP e ciclos de Carnot 3 28092020 Refrigeração mecânica por compressão de gases e vapores 4 05102020 Psicrometria e conforto térmico 5 12102020 Aula de exercícios Aula síncrona 6 19102020 Avaliação 7 26102020 Ciclo de compressão por Estágios 8 02112020 Compressores e Refrigerantes Superfícies de Troca Térmica de um Refrigerador 9 09112020 Carga Térmica de Refrigeração Aula de exercícios Aula síncrona 10 16112020 Avaliação 11 23112020 Sistemas não Convencionais de Refrigeração 12 30112020 Atendimento de Revisão e Recuperação
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Prof Alexandre Bittencourt de Sá REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO AULA 08 CARGA TÉRMICA DE REFRIGERAÇÃO CARGA TÉRMICA O objetivo principal do cálculo de cargas térmicas é a estimativa da capacidade dos vários componentes do sistema necessárias para manter um determinado nível de conforto no ambiente baseados em condições ambientais próximas dos extremos normalmente encontrados temperaturas umidade e insolação Carga Térmica de Climatização Carga Térmica Frigorífica CARGA TÉRMICA Varia com o tempo temperatura externa insolação número de pessoas etc Radiação solar através de superfícies transparentes tais como vidros das janelas Condução de calor através das paredes externas e telhados Condução de calor através das paredes internas divisórias tetos e pisos Calor gerado dentro do ambiente pelos ocupantes luzes equipamentos desenvolvimento de processos ou qualquer outra fonte geradora de calor Calor proveniente da ventilação ar exterior e infiltração de ar exterior Calor gerado por outras fontes CARGA TÉRMICA Calor sensível e latente A seleção correta do equipamento para umidificação ou desumidificação e resfriamento é feita levandose em consideração os valores de calor sensível e latente O ganho de calor sensível devido à transmissão por radiação condução ou convecção ou devido ainda a estas formas simultaneamente O ganho de calor latente quando a umidade é adicionada ao ambiente há uma quantidade de energia associada com esta umidade que precisa ser considerada Vapor dágua liberado pelas pessoas etc Neste caso se a umidade precisa ser mantida constante no ambiente então o vapor dágua que precisa ser condensado no equipamento é igual ao valor que é produzido no ambiente CARGA TÉRMICA A carga térmica de um ambiente é composta por Condução Insolação Dutos Equipamentos Infiltração Ventilação Carga de calor sensível Carga de calor sensível e latente CONDUÇÃO A expressão simplificada para o cálculo da espessura do isolante é ሶ𝑄𝐴 𝑘𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇𝑐â𝑚𝑎𝑟𝑎 𝐿𝑖𝑠𝑜𝑙 𝐿𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑘𝑖𝑠𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑇𝑐â𝑚𝑎𝑟𝑎 ሶ𝑄𝐴 Cálculo realizado desprezandose resistência imposta pela convecção interna e externa valor conservador Delta T utilizado depende se câmara está exposta ao sol ou não ISOLANTES Apresentar baixa densidade Ser inerte e não possuir cheiro Imputrescível Baixa permeabilidade Boa resistência à difusão de água Não ser atacado por roedores Não deformar quando exposto a diferentes temperaturas Possuir boa resistência mecânica Baixo custo Não ser inflamável ISOLAMENTO CÂMARA Piso Se câmara opera a temperaturas elevadas Transmissão de calor será baixa Se câmara opera a baixas temperaturas Text TBU do ambiente Atenção congelamento do piso TRANSFERÊNCIA DE CALOR A condução ocorre através das paredes do telhado das janelas das divisórias vidros pisos ሶ𝑄 𝑇 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑈𝐴 𝑇𝑒 𝑇𝑖 U coeficiente global de transferência de calor Wm²K A área superficial de troca m² 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 1 ℎ𝐴 𝐿 𝑘𝐴 1 ℎ𝐴 COEFICIENTES GLOBAIS E CONVECTIVOS TÍPICOS Elemento Tipo U Wm2K Paredes Tijolo de 6 furos com espessura de 125 cm 239 Tijolo de 6 furos com espessura de 17 cm deitado 208 Tijolo de 8 furos rebocado de 125 cm 249 Tijolo de 4 furos rebocado de 125 cm 259 Tijolo maciço aparente de 9 cm 404 Tijolo maciço rebocado de 12 cm 357 Tijolo maciço rebocado de 26 cm 245 Janelas Vidro comum de 3 mm 579 Cobertura Laje de concreto de 10 cm fibrocimento verão não ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm fibrocimento verão bem ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm fibrocimento inverno não ventilado 286 Laje de concreto de 10 cm fibrocimento inverno bem ventilado 389 Laje de concreto de 10 cm cerâmica verão não ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm cerâmica verão bem ventilado 204 Laje de concreto de 10 cm cerâmica inverno não ventilado 287 Laje de concreto de 10 cm cerâmica inverno bem ventilado 389 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento verão não ventilado 20 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento verão bem ventilado 20 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento inverno não ventilado 279 Forro de pinus de 1 cm fibrocimento inverno bem ventilado 375 Forro de pinus de 1 cm cerâmica verão não ventilado 201 Forro de pinus de 1 cm cerâmica verão bem ventilado 201 Forro de pinus de 1 cm cerâmica inverno não ventilado 279 Forro de pinus de 1 cm cerâmica inverno bem ventilado 375 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio verão não ventilado 111 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio verão bem ventilado 111 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio inverno não ventilado 204 Forro pinus 1 cm fibrocimento alumínio inverno bem ventilado 375 Sentido do fluxo Paredes exteriores Paredes interiores Paredes exteriores sujeitas a vento hi he hi he Tipo de vento Velocidade he Wm2K Wm2K Wm2K Wm2K ms Wm2K Horizontal 8 20 8 8 Fraco 1 13 Vert ascendente 11 20 10 10 Médio 3 21 Vert descendente 6 20 6 6 Forte 9 35 Para o ar parado h varia de 713 a 776 kcalhm²C Para o ar a 12 kmh h é de 195 kcalhm²C Para o ar a 24 kmh h é de 293 kcalhm²C CONDIÇÕES AMBIENTAIS NBR 6401 inverno verão CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO A energia solar é concentrada na faixa visível da luz e na região infravermelha do espectro da radiação Somente 1373 kWm2 da radiação alcança a superfície da terra quando a direção dos raios solares é vertical para um céu limpo O guia ASHRAE estabelece equações para avaliar o total de radiação recebida do céu pela superfície da terra A quantidade recebida depende das variações sazonais da constante de umidade da distância solterra da variação angular com as vizinhanças e das superfícies refletoras mais relevantes CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO Parede opaca exposta à radiação solar e sujeita a uma determinada diferença de temperatura entre os ambientes que esta parede separa a intensidade do fluxo térmico ሶ𝑄 que atravessa essa parede por efeito da radiação solar incidente e da diferença de temperatura do ar é dada pela seguinte expressão ሶ𝑄 𝑈 𝛼𝐼𝑔 ℎ𝑒 𝑡𝑒 𝑡𝑖 𝑊 𝑚2 Onde U coeficiente global de transferência de calor Wm2K te Temperatura do ar externo C ti Temperatura do ar interno C α Coeficiente de absorção de radiação solar adimensional Ig Intensidade de radiação solar incidente global Wm2 he Coeficiente de transferência de calor externo Wm2K CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO A expressão anterior pode ser disposta da seguinte forma ሶ𝑄 𝑈𝛼𝐼𝑔 ℎ𝑒 𝑈 𝑡𝑒 𝑡𝑖 𝑆𝑜𝑝 𝛼𝑈 ℎ𝑒 é fator de ganho solar de material opaco enquanto que o termo UΔt corresponde às trocas de calor por diferenças de temperatura podendo representar ganho quando a temperatura externa é maior que a interna ou perda quando ocorrer o inverso 𝑈𝛼𝐼𝑔 ℎ𝑒 se refere ao ganho de calor solar sendo COEFICIENTE DE ABSORTIVIDADE Superfície Absorção para radiação solar α Preto fosco 085 a 095 Tijolo ou pedra ou telha de cor vermelha 065 a 080 Tijolo ou pedra de cor amarela e couro 050 a 070 Tijolo ou pedra ou telha de cor amarela 030 a 050 Vidro da Janela Transparente Alumínio ouro bronze brilhantes 030 a 050 Latão alumínio fosco aço galvanizado 040 a 065 Latão e cobre polidos 030 a 050 Alumínio e cromo polidos 010 a 040 Cor Absorção para radiação solar α Branca 020 a 030 Amarela laranja vermelha clara 030 a 050 Vermelha escura verde clara azul clara 050 a 070 Marrom clara verde escura azul escura 050 a 090 Marrom escura preta 090 a 100 CARGA TÉRMICA DE INSOLAÇÃO No caso de uma parede transparente ou translúcida exposta à incidência da radiação solar e sujeita a uma determinada diferença de temperatura entre os ambientes que separa a intensidade do fluxo térmico q que atravessa uma parede transparente ou translúcida deve incorporar em comparação com a parede opaca a parcela que penetra por transparência ou seja a transmissividade do material vitreo ሶ𝑄 𝛼𝑈 ℎ𝑒 𝜏 𝐼𝑔 𝑈 𝑡𝑒 𝑡𝑖 𝑊 𝑚2 𝑆𝑡𝑟 𝛼𝑈 ℎ𝑒 𝜏 é o fator solar referente à radiação solar global transmitida pelo vidro Para o vidro comum temse 𝛼 007 𝜌 008 𝜏 085 𝑈 57 𝑊 𝑚2𝐾 1 ℎ𝑒 005 𝑚2𝐾 𝑊 𝑆𝑡𝑟 087 TABELA FATOR SOLAR Tipo de vidro Fator solar Vidro comum transparente de uma lâmina 086 Vidro cinza sombra de uma lâmina 066 Vidro atérmico verde claro de uma lâmina 060 Vidro atérmico verde escuro de uma lâmina 049 Vidro cinza sombra usado com vidro comum transparente 045 Vidro atérmico verde claro usado com vidro comum transparente 039 Vidro atérmico verde escuro usado com vidro comum transparente 022 Tipo de proteção Cor do elemento Clara Média Escura Preta Persiana externa de madeira de 1cm vertical 005 008 010 013 Persiana externa de madeira de 2cm vertical 004 007 009 011 Persiana externa metálica vertical 007 010 013 016 Persiana externa de madeira projetada à italiana 009 009 010 011 Persiana externa metálica projetada à italiana 010 011 012 014 Veneziana entre vidros de lâminas a 45 024 031 038 044 Cortina opaca entre vidros 021 028 036 043 Cortina pouco transparente entre vidros 024 032 040 Persiana interna de lâminas finas vertical 039 050 060 070 Persiana interna de lâminas finas a 45 051 062 070 076 Cortina interna opaca 034 045 057 066 Cortina interna pouco transparente 036 047 059 Cortina interna muito transparente 039 050 051 RADIAÇÃO SOLAR WM2 LATITUDE 30 SUL 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S 142 188 143 78 63 68 65 68 63 78 143 188 142 22 de dezembro SE 330 563 586 502 345 116 65 68 63 58 50 43 25 L 340 633 715 667 517 309 65 68 63 58 50 43 25 NE 165 357 456 475 422 311 146 68 63 58 50 43 25 N 25 43 50 58 117 170 179 170 117 58 50 43 25 NO 25 43 50 58 63 68 146 311 422 475 456 357 165 O 25 43 50 58 63 68 65 309 517 667 715 633 340 SO 25 43 50 58 63 68 65 116 345 502 586 563 330 H 114 345 588 804 985 1099 1134 1099 985 804 588 345 114 S 0 28 45 50 58 63 63 63 58 50 45 28 0 22 de março 22 de setembro SE 16 270 351 261 101 63 63 63 58 50 45 28 0 L 23 421 651 649 518 309 63 63 58 50 45 28 0 NE 16 343 596 686 666 565 406 216 58 50 45 28 0 N 0 80 219 347 458 526 548 526 458 347 219 80 0 NO 0 28 45 50 58 216 406 565 666 686 596 343 16 O 0 28 45 50 58 63 63 309 518 649 651 421 23 SO 0 28 45 50 58 63 63 63 101 261 351 270 16 H 0 144 388 617 808 928 964 928 808 617 388 144 0 S 3 23 38 45 50 50 50 45 38 23 3 21 de junho SE 14 72 38 45 50 50 50 45 38 23 3 L 35 278 429 387 244 50 50 45 38 23 3 NE 37 333 602 682 641 524 364 198 48 23 3 N 20 207 445 604 691 720 691 604 445 207 20 NO 3 23 48 198 364 524 641 682 602 333 37 O 3 23 38 45 50 50 244 387 429 278 35 SO 3 23 38 45 50 50 50 45 38 72 14 H 6 101 280 446 558 594 558 446 280 101 6 CARGAS TÉRMICAS INTERNAS A previsão da carga térmica a ser gerada no interior do edifício é fundamental no que respeita às decisões de projeto referentes ao partido arquitetônico a ser adotado sendo sempre função das exigências funcionais e humanas para os diferentes tipos de clima Em se tratando da carga térmica interna ao edifício as fontes podem ser classificadas como a presença humana b sistemas de iluminação artificial c motores e equipamentos d processos industriais PRESENÇA HUMANA A quantidade de calor dissipada pelo organismo humano para o ambiente depende essencialmente de sua atividade Atividade Calor metabólico W Calor sensível W Calor Latente W Durante o sono basal 80 40 40 Sentado em repouso 115 63 52 De pé em repouso 120 63 57 Sentado trabalhos manuais 130 65 65 Escritório atividade moderada 140 65 75 De pé trabalho leve 145 65 80 Datilografando rápido 160 65 95 Lavando pratos 175 65 110 Confeccionando calçadosroupas 190 65 125 Andando 220 75 145 Trabalho leva em bancada 255 80 175 Garçom 290 95 195 Descendo escada 420 140 280 Serrando madeira 520 175 345 Nadando 580 Subindo escada 1280 Esforço máximo 870 a 1400 Estes valores refletem o calor liberado por um homem adulto Uma mulher adulta libera 85 deste valor e uma criança independente do sexo libera 75 do valor para um adulto do sexo masculino conforme norma NBR 6401 SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL Lâmpadas incandescentes convertem apenas 10 de sua potência elétrica em luz sendo que dos 90 restantes 80 se dissipa na forma de radiação e os outros 10 em convecção Lâmpadas fluorescentes convertem 25 de sua potência elétrica em luz sendo 25 dissipado por radiação e 50 dissipado por convecção O reator da lâmpada fluorescente fornece mais 25 da potência nominal da lâmpada sob a forma de calor para o ambiente Mas como a luz também se transforma em calor depois de absorvida pelos materiais no caso de iluminação com lâmpadas incandescentes adotase como carga térmica a potência instalada nominal Para as lâmpadas fluorescentes deve ser considerado 125 da potência nominal devido ao calor gerado pelos reatores SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL Local Tipo de iluminação Nível iluminação LUX Potência dissipada Wm2 Escritórios Fluorescente 1000 40 Lojas Fluorescente 1000 50 Residências Incandescente 300 30 Supermercados Fluorescente 1000 35 Barbearias e Salões beleza Fluorescente 500 20 Cinemas e teatros Incandescente 60 15 Museus e bibliotecas FluorIncand 500 500 45 70 Restaurantes FluorIncand 150 150 15 25 Bancos Fluorescente 1000 35 Auditórios Tribuna Incandescente 1000 50 Auditórios Platéia Incandescente 500 30 Auditórios Sala de espera Incandescente 150 20 Hotéis Banheiros Incandescente 150 25 Hotéis Corredores Incandescente 100 15 Hotéis Sala de leitura FluorIncand 500 500 45 70 Hotéis Quartos Incandescente 500 35 Hotéis Salas de reuniões Incandescente 150 20 Hotéis Portariarecepção Incandescente 250 35 MOTORES E EQUIPAMENTOS O calor dissipado por motores para o ambiente é função de sua potência e de suas características Em geral os motores de potência mais baixa têm menor rendimento Os motores que operam dentro do espaço climatizado promovem a seguinte carga térmica 𝑄𝑚 𝑃 𝜂 Mas quando operam dentro do recinto e jogam calor para fora como elevadores etc temse 𝑄𝑚 𝑃 1𝜂 𝜂 Potência do motor W η 368 060 368 a 2208 068 2209 a 14720 085 Qm Calor emitido pelos motores em W P Potência dos motores em W η Rendimento aproximado do motor MOTORES E EQUIPAMENTOS No que se refere aos equipamentos adotase como calor cedido ao ambiente cerca de 60 da potência nominal dos aparelhos elétricos a não ser os aparelhos cuja função seja aquecer como no caso de secador de cabelos cafeteiras etc Aparelhos Potência W Aparelhos Potência W Aquecedor elétrico residencial 1500 Geladeiras comerciais 1000 Aquecedor elétrico comercial 3000 a 6000 Geladeiras domésticas 300 Aspirador de pó 250 a 800 Rádio 150 Barbeador 15 Televisão 400 Cafeteira 1500 a 2000 Secador de cabelos 1200 Exaustor 500 Secador de roupas 5000 Ferro elétrico a vapor 1200 Torradeira 1200 Fogão elétrico 4000 a 6000 Ventilador de mesa 150 Chuveiro elétrico 1500 a 7700 Ventilador de teto 200 MOTORES E EQUIPAMENTOS Motores dentro da câmara 𝑞 𝑃 𝑛 36 𝜂 Motores fora da câmara 𝑞 𝑃 𝑛 36 q kJ24h carga térmica associada aos motores P W Potência dos motores n h24h Número de horas de operação por dia ɳ Eficiência dos motores CARGAS DIVERSAS Iluminação 𝑞 𝑃 𝑛 36 Calor cedido por pessoas 𝑞 𝑛 𝑞 𝑛𝑝 q kJ24h carga térmica associada à iluminação P W Potência das lâmpadas q kJ24h carga térmica associada à ocupação por pessoas n número de pessoas que circulam na câmara q kJh calor gerado por pessoa Np h número médio de horas que cada pessoa fica na câmara Temperatura da câmara em C Calor equivalente por pessoa em kJh 10 75886 5 87225 0 97692 5 108159 10 116882 15 130838 20 141305 Calor cedido pelas pessoas em função da temperatura do ambiente VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR A ventilação proporciona a renovação do ar do ambiente sendo de grande importância para a higiene em geral e para o conforto térmico de verão em regiões de clima temperado e em regiões de clima quente e úmido A renovação de ar dos ambientes proporciona a dissipação de calor e a desconcentração de vapores fumaça poeiras e de poluentes A ventilação pode ser também feita por meios mecânicos de forma a realizar trocas de ar do ambiente para promover critérios de saúde e segurança aos ocupantes de acordo com a atividade Temse valores típicos de infiltração de ar para janelas e portas para as mais diversas aplicações Estes valores são utilizados somente quando a pressão no interior não é positiva ou seja quando não há insuflamente de ar externo junto com o ar condicionado por exemplo aparelho de janela VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR Tipo de abertura Vazão de ar m3h Frestas Janelas comuns 30 Frestas Janelas basculantes 30 Frestas Janelas guilhotina madeira bem ajustada 65 Frestas Janelas guilhotina madeira mal ajustada 20 Frestas Janelas guilhotina metalica sem vedação 45 Frestas Janelas guilhotina metalica com vedação 18 Frestas Portas mal ajustadas 130 Frestas Portas bem ajustadas 65 Porta giratória 18m Porta vai e vem 09 m Portas de Bancos 110 140 Portas de Barbearias 70 90 Portas de Drogarias e Farmácias 100 120 Portas de Escritórios 90 90 Portas de Lojas em geral 120 140 Portas de Restaurantes 30 40 Portas de Lanchonetes 70 90 Portas abertas até 90cm 13500 Portas abertas de 90cm a 180 m 20000 Porém apesar da infiltração existem edificações cuja finalidade do ambiente deva proporcionar uma renovação maior de ar externo maior Para estas aplicações é utilizada a norma 16401 que estabelece condições de vazão de ar por pessoa que ocupa o recinto e por metro quadrado de instalação A vazão efetiva total deve ser composta por uma soma destes dois fatores VAZÃO VOLUMÉTRICA Local Pessoas100m2 Fp lspessoas Fa lsm2 Supermercado de alto padrão 8 48 04 Supermercado de médio padrão 10 48 04 Supermercado popular 12 48 04 Centros comerciais 40 48 04 Lojas 15 48 08 Salão de beleza 25 125 08 Pet shops 10 48 11 Lavanderias 20 48 04 Hall de edifícios recepção 10 31 04 Escritórios de diretoria 6 31 04 Escritórios de baixa densidade 11 31 04 Escritórios de média densidade 14 31 04 Escritórios de alta densidade 20 31 04 Sala de reunião 50 31 04 CPD 4 31 04 Call center 60 48 08 Bancos área pública 41 48 04 Caixa forte 5 31 04 Saguão de aeroporto 15 53 04 Sala de embarque de aeroportos 100 53 04 Biblioteca 10 35 08 Museu e galeria de arte 40 53 04 Local de culto 120 35 04 Plenário de legislativo 50 35 04 Lobby de teatro cinema e auditório 150 35 04 Platéia de teatro cinema e auditório 150 35 04 Palco de teatro cinema e auditório 70 63 04 Sala de audiências de tribunal 70 35 04 Boliche 40 63 08 Ginásio área do público 150 48 04 Ginásio coberto 04 Piscina coberta 30 Academia aeróbica 40 125 04 Academia aparelhos 10 63 08 Sala de aula 35 63 08 Laboratório de informática 25 63 08 Laboratório de ciências 25 63 11 Apartamento de hóspedes 69 Banheiro privativo de hotéis 25 Sala de estar e lobby de hotéis 30 48 04 Sala de convenções 120 31 04 Dormitório coletivo 20 31 04 Salão de refeições de restaurante 70 48 11 Salão de coquetéis de bares 100 48 11 Cafeteria lanchonete e refeitórios 100 48 11 Salão de jogos 120 48 11 Discoteca e danceterias 100 125 04 Jogos eletrônicos 20 48 11 ሶ𝑉 𝐹𝑝 𝑛𝑝 𝐹𝑠 𝐴 1000 𝑚3 𝑠 VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR Calculado através de ሶ𝑄𝑠 123 ሶ𝑉 𝑇𝑒 𝑇𝑖 ሶ𝑄𝑙 3000 ሶ𝑉 𝑤𝑒 𝑤𝑖 Considerar parcela de calor latente somente se o ar for umidificado durante o processo de climatização 𝜌𝑎𝑟 Massa específica do ar 12 kgm3 𝑐𝑝𝑎𝑟 Calor específico do ar 1009 JkgK ሶ𝑄𝑠 𝜌𝑎𝑟 𝑐𝑝𝑎𝑟 ሶ𝑉 𝑇𝑒 𝑇𝑖 VENTILAÇÃO NATURAL E RENOVAÇÃO DE AR A carga térmica devido à infiltração de ar está relacionada com a entrada de ar quente ar externo e com a saída de ar frio da câmara frigorífica através de portas ou quaisquer outras aberturas A quantidade de ar que entra em câmara pode ser estimada entre outras formas a partir do fator de troca de ar FTA de uma câmara sendo este por sua vez dependente do volume e tipo da câmara FATOR DE TROCA DE AR FTA O FTA expressa o número de trocas de ar por dia trocasdia da câmara FATOR DE TROCA DE AR FTA Uma vez que se conhece o volume de ar externo que entra na câmara por dia podese determinar a carga de infiltração pela equação ሶ𝑄 𝑉𝑐𝑎𝑚𝐹𝑇𝐴 𝐻 onde Vcam é o volume da câmara em m3 e H referese ao calor cedido por metro cúbico de ar que entra na câmara CARGA TÉRMICA DE CLIMATIZAÇÃO A climatização de ambientes possui três principais aplicações importantíssimas para a vida moderna A satisfação do homem permitindolhe se sentir termicamente confortável A performance humana as atividades intelectuais manuais e perceptivas geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em conforto térmico A conservação de energia ao conhecer as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes do ambiente evitamse desperdícios com calefação e refrigeração muitas vezes desnecessários sendo possível a escolha de equipamentos mais adequados e de menor consumo energético para uma determinada finalidade CARGA TÉRMICA DE CLIMATIZAÇÃO O homem é um ser homeotérmico Seu organismo é mantido a uma temperatura interna sensivelmente constante na ordem de 37C com limites muito estreitos variando entre 361C e 372C sendo 32C o limite inferior e 42C o limite superior para garantir a vida O ser humano pode ser comparado a uma máquina térmica com um rendimento muito baixo na ordem de 20 A parcela restante cerca de 80 se transforma em calor que deve ser dissipado para que o organismo seja mantido em equilíbrio A TEMPERATURA INTERNAS DE PROJETO NBR 6401 TBS C UR 20 a 22 35 a 65 Condições recomendadas para o inverno Temperaturas de bulbo seco interna e externa Aquecimento temperatura interna de 20 a 22 C Resfriamento temperatura interna de 24 a 26 C Umidade relativa Inverno mínimo de 30 Verão máximo de 60 CARGA TÉRMICA FRIGORÍFICA Instalações frigoríficas são conjuntos de câmaras frias que permitem refrigerar congelar e conservar pelo frio produtos perecíveis além de toda Infra estrutura casa de máquinas subestação serviços de administração oficinas de manutenção vestiários sanitários etc necessária para seu funcionamento O cálculo da carga térmica de câmaras frigoríficas estabelece as corretas condições climáticas do local e as condições internas da câmara para resfriamento congelamento e armazenamento de produtos Outros fatores a ser considerados no cálculo de cargas térmicas em câmaras frigoríficas Carga térmica decorrente da transmissão de calor pelas paredes teto e piso Carga térmica decorrente dos produtos contidos na câmara Carga térmica decorrente da infiltração de ar externo quando da abertura e fechamento das portas de acesso das câmaras Carga térmica decorrente das luzes pessoas e de outras fontes de calor no interior da câmara PARÂMETROS DE PROJETO CONDENSADORES À ÁGUA Temp saída da água Temp entrada da água 5 C a 10 C Temp condensação do fluido refrigerante Temp saída da água 2 C a 4 C CONDENSADORES A AR Temp saída do ar Temperatura de entrada do ar 3 C a 6 C Temp condensação do fluido refrigerante temperatura de entrada do ar 5C a 15C PARÂMETROS DE PROJETO TEMPERATURA DE ENTRADA E SAÍDA DO AR EVAPORADOR A AR Temp entrada do ar no evaporador T ar entrada T ar entrada T câmara T Temp saída do ar no evaporador T ar saída T ar saída T câmara 2 C a 4 C Temperatura de evaporação do fluido refrigerante T e T e T câmara 6 C a 11 C PARÂMETROS DE PROJETO Importante para reduzir a perda de umidade dos alimentos pequenos T e grandes áreas de troca térmica T e adotado T câmara 6C No evaporador O fluido refrigerante recebe calor do ar O ar perde calor para o fluido refrigerante Q ar m ar cp ar T ar saída T ar entrada DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Clima O clima onde a instalação será realizada entra como um fator importante para o cálculo de ganho de calor pelas paredes piso e teto seleção do condensador e ventilação Preferivelmente devem ser utilizados dados estatísticos ao invés de valores isolados Dentre os principais itens relacionados ao clima destacamse a Temperatura de bulbo seco TBS média para o mês mais quente b Umidade relativa ϕ ou temperatura de bulbo úmido TBU para o mesmo mês c TBS máxima que se pode esperar neste mês e a quantidade de dias Água a Qual a origem da água municipal riacho mar poço etc b Qual a quantidade disponível c Qual a quantidade máxima e média durante a estação mais quente do ano DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Energia a Como a energia elétrica está disponível voltagem ciclagem b Qual a máxima energia que pode ser fornecida sem limites ou em kWh Produto a Qual o tipo de produto b Qual a quantidade de cada produto a ser resfriado ou congelado por dia ou hora c Quais as temperaturas de recebimento ou processamento d Qual a entrada diária na câmara e Qual o acondicionamento utilizado Caixa tambores baldes etc f Quais as características físicas do produto g Quais as finalidades do produto venda direta distribuição matéria prima etc h Qual o tipo de movimentação que recebe DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Descrição da Instalação a A localização b As dimensões c Outras observações se de produção trânsito ou consumo Condições do local a Cópia ou esboço do prédio existente ou em estudo b A área disponível de terreno ou prédio c A orientação latitude altitude d Se há a liberdade de planejamento DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Tipos de Câmaras a Câmaras de armazenagem ou estocagem b Câmaras de resfriamento c Câmaras ou túneis de congelamento d Antecâmaras e Câmaras comerciais balcões frigoríficos congeladores etc f Câmaras domésticas geladeiras congeladores etc DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Dimensões da Câmara A dimensão de uma câmara frigorífica deve levar em conta a quantidade de produto a ser armazenado espaço para circulação altura do empilhamento e espaço ocupado pelos evaporadores prateleiras ganchos etc Como valores de referência de forma a uma primeira orientação para se determinar as dimensões da câmara podese utilizar a densidade de armazenagem indicada Produto Quantidade kgm3 Carne refrigerada pendurada porco 80 Carne refrigerada pendurada peça grande 100 Carne congelada com osso 250 Carne congelada sem osso 530 Sorvetes 180 Ovas em caixaprateleira 4340 260 Verduras 180380 Doce 330 Frango 380 Ovos resfriados 400 Frutas em caixa 440 Massas 500 Manteiga 500 Congelados 540 DADOS INICIAIS PARA O DIMENSIONAMENTO Sistemas de congelamento Para levar o produto à temperatura desejada são empregados os chamados congeladores que podem ser tanto com circulação natural como circulação forçada do ar As câmaras com circulação natural do ar são adotadas para a conservação de produtos altamente desidratáveis como frutas e verduras As câmaras com circulação forçada adotam evaporadores de tubos lisos ou aletados com circulação do ar por meio de ventiladores Esta solução é adotada normalmente na disposição tendal para armazenagem em curto prazo de carnes resfriadas resfriamento rápido de carne fresca congelamento rápido de carne em túneis com circulação longitudinal ou transversal na armazenagem em pallets dos frigoríficos polivalentes etc PRODUTOS Geralmente corresponde à maior porcentagem da carga térmica de câmaras de resfriamento e congelamento composta basicamente das seguintes parcelas Calor sensível antes do congelamento calor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperatura desde a temperatura de entrada na câmara até a temperatura de início de congelamento ou no caso em que o produto somente vai ser resfriado a sua temperatura final Calor sensível após o congelamento calor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperatura desde a temperatura de congelamento até a temperatura final Calor de respiração calor liberado na câmara devido ao processo de respiração de frutas frescas e vegetais A liberação deste calor de respiração calor vital varia com a temperatura PRODUTOS 1 Calor sensível antes do congelamento calor retirado do produto para reduzir sua temperatura desde temperatura de entrada até ponto de congelamento 2 Calor latente de congelamento mudança de fase 3 Calor sensível após o congelamento calor retirado do produto para reduzir sua temperatura desde temperatura de congelamento até temperatura de saída 4 Calor de respiração calor associado à respiração de frutas e verduras 𝑞 ሶ𝑚 𝑐𝑝1 𝑇𝑒𝑛𝑡 𝑇𝑐 ℎ𝑐𝑔 𝑐𝑝2 𝑇𝑐 𝑇𝑠𝑎𝑖 𝑚𝑡𝑞𝑟𝑒𝑠𝑝 q kJ24h Carga térmica referente aos produtos ሶ𝑚 kg24h movimentação de produto cp1 kJkgK calor específico antes do congelamento cp2 kJkgK calor específico após congelamento Tent C temperatura de entrada do produto Tc C temperatura de congelamento hcg kJkg calor latente de congelamento Tsai C temperatura de saída do produto mt kg massa total de produto estocado qresp kJkgdia calor assoado à respiração do produto PRODUTOS NA CÂMARA Dados para alguns produtos propriedades termofísicas dos alimentos PRODUTO Temperatura conservação UR conservação Tc cp1 cp2 ℎ𝑐𝑔 𝑞𝑟𝑒𝑠𝑝 Tempo conservação Abacate 70 a 130 85 a 90 27 381 205 31820 120 Alface 00 90 a 95 04 402 201 31820 2721 90120 Aves frescas 00 85 a 90 331 7 Aves congeladas 290 90 a 95 28 155 24702 270300 Carne de vaca fresca 10 a 10 88 a 92 322 7 a 42 Carne de vaca cong 150 90 a 95 17 167 23446 180270 Cebola 00 70 a 75 10 377 193 28889 1256 180240 Laranjas 00 a 10 85 a 90 22 377 193 28889 0921 5684 Maçãs 10 a 00 85 a 90 20 360 188 28052 1047 60180 Morango fresco 05 a 00 85 a 90 385 3391 7 a 10 Peixe congelado 180 85 a 90 17 188 28470 90120 Pêssegos 05 a 00 85 a 90 377 1298 1428 INFILTRAÇÃO DE AR EXTERNO Fator de Troca de Ar FTA depende do volume da câmara número de vezes que a câmara é aberta e do desenho da câmara 𝑞 𝑉𝑐𝑎𝑚 𝐹𝑇𝐴 Δℎ𝑡𝑟𝑜𝑐𝑎 Q kJ24h carga térmica associada à infiltração de ar externo Vcam m³ Volume da câmara FTA trocas por dia 24h Fator de Troca de Ar Δhtroca kJm³ Diferença entre entalpia do ar externo e do ar interno Carta Psicrométrica INFILTRAÇÃO DE AR EXTERNO Fator de Troca de Ar FTA depende do volume da câmara número de vezes que a câmara é aberta e do desenho da câmara CARGA TÉRMICA TOTAL CAPACIDADE FRIGORÍFICA Uma vez determinadas todas as parcelas da carga térmica o passo seguinte será determinar a capacidade frigorífica do sistema evaporadores e compressores As parcelas da carga térmica foram determinadas para um dia em kcaldia Porém o compressor e os evaporadores do sistema frigorífico não deve operar 24 horas por dia o que exige uma fixação do seu tempo de operação para a determinação de sua capacidade frigorífica CARGA TÉRMICA TOTAL CAPACIDADE FRIGORÍFICA 𝑞𝑡 σ𝑖 𝑞𝑖 203600 𝑘𝑊 O Cálculo da carga térmica é feito normalmente para 24 horas no entanto o equipamento de refrigeração não deve funcionar 24 horas por dia a fim de permitir o descongelamento diário do evaporador Ex considerando operação do equipamento por 20hdia PLANEJAMENTO Semana Conteúdo 1 14092020 Fundamentos de refrigeração e termodinâmica aplicada à refrigeração 2 21092020 COP e ciclos de Carnot 3 28092020 Refrigeração mecânica por compressão de gases e vapores 4 05102020 Psicrometria e conforto térmico 5 12102020 Aula de exercícios Aula síncrona 6 19102020 Avaliação 7 26102020 Ciclo de compressão por Estágios 8 02112020 Compressores e Refrigerantes Superfícies de Troca Térmica de um Refrigerador 9 09112020 Carga Térmica de Refrigeração Aula de exercícios Aula síncrona 10 16112020 Avaliação 11 23112020 Sistemas não Convencionais de Refrigeração 12 30112020 Atendimento de Revisão e Recuperação