Maquinas Termicas 2 Questoes

QUESTÃO 1 Como engenheiro projetista de sistemas de climatização você foi solicitado a realizar o cálculo de carga térmica para um projeto de um escritório para que assim seja dimensionado a capacidade necessária para o equipamento de ar condicionado Consultando a planta baixa do local e informações importantes fornecidas pelo cliente você levantou os seguintes dados MATERIAIS CONSTRUTIVOS Material construtivo da parede externa Camada externa de reboco 20 cm tijolo de 6 furos de 125 cm camada interna de reboco 20 cm UTOTAL 24 Wm² C cor escura Material construtivo das paredes internas Drywall com 10 cm de espessura UTOTAL 25 Wm² C Janela externa Vidro simples de 30 mm 20 x 10 m largura x altura UTOTAL 579 Wm² C FGCImáx 694 FCR 026 CS 1 Cobertura Laje de concreto de 20 cm e forro de gesso UTOTAL 115 Wm² C cor escura Porta Porta de madeira comum 10 x 20 m largura x altura UTOTAL 32 Wm² C DADOS DO LOCAL Área do escritório 3758 m² Pédireito altura 30 m Local Maringá PR Temperatura externa média 330 C Ocupação 7 pessoas Tipo de atividade Trabalho de escritório 130 Wpessoa Equipamentos 7 computadores 145 Wcomputador Iluminação 16 Wm² FUL 10 FSA 10 Taxa de infiltração ventilação Baixa pode ser considerada nula Temperatura dos ambientes adjacentes 29C A planta baixa do local pode ser visualizado na imagem a seguir Informação importante Todas as paredes fazem divisa com ambientes internos exceto a parede voltada para a face leste que faz divisa com ambiente externo A temperatura interna de projeto será 24C Após avaliar a situação calcule a carga térmica total considerando as parcelas de condução de calor pelas paredes externa e internas e cobertura janela e porta pessoas equipamentos e iluminação Sabendo que os equipamentos de ar condicionado tipo split comumente encontrados no mercado brasileiro possuem as seguintes capacidades conforme tabela abaixo qual capacidade você recomendaria ao cliente de acordo com o resultado da carga térmica Capacidades Ar Condicionado 9000 BTUh 12000 BTUh 18000 BTUh 24000 BTUh 36000 BTUh QUESTÃO 2 Avaliar como as propriedades e funcionamento de um sistema térmico Realizar cálculos e dimensionar a capacidade de funcionamento Verificar a operação e desempenho do sistema Como engenheiro responsável pela supervisão de projetos na área de sistemas mecânicos você foi solicitado a avaliar um sistema de climatização utilizado em um centro comercial na sua cidade O cliente relatou que os equipamentos de ar condicionado central instalados há mais de 20 anos apresentam baixo desempenho e alto consumo de energia impactando diretamente nos custos operacionais e no conforto térmico dos ocupantes Sendo assim o cliente solicitou uma avaliação para verificar a possibilidade de um retrofit ou seja uma substituição desse sistema por um mais atual e eficiente Você foi até o local e solicitou algumas informações ao responsável da manutenção sobre o sistema o qual repassou os seguintes dados O sistema opera com fluido refrigerante R134a O fluido refrigerante é admitido no compressor no estado de vapor superaquecido a 008 MPa e 10C Após a compressão o fluido encontrase a 08 MPa e 627C O refrigerante é então resfriado até 075 MPa como líquido saturado Posteriormente o fluido é expandido até 008 MPa Você verificou também que a carga térmica no local é de 100 kW Com base nesses dados seu objetivo é apresentar um diagnóstico detalhado apontando as principais deficiências do sistema e propondo soluções que garantam maior eficiência energética conforto ambiental e redução dos custos operacionais Despreze a perda de carga e a transferência de calor nas linhas de conexão entre os elementos do sistema Diante dessas informações determine os seguintes parâmetros para o sistema 1 Esboce um diagrama PxH para o ciclo proposto 2 Calcule a vazão mássica em kgs de fluido refrigerante necessária para atender a carga térmica de projeto 3 Calcule a potência requerida pelo compressor em kW Sabendo que atualmente sistemas mais comuns operam com um COP de aproximadamente 40 você avalia que o sistema está operando de maneira adequada ou ainda é possível melhorar o sistema JUSTIFIQUE sua resposta QUESTÃO 1 Como engenheiro projetista de sistemas de climatização você foi solicitado a realizar o cálculo de carga térmica para um projeto de um escritório para que assim seja dimensionado a capacidade necessária para o equipamento de ar condicionado Consultando a planta baixa do local e informações importantes fornecidas pelo cliente você levantou os seguintes dados MATERIAIS CONSTRUTIVOS Material construtivo da parede externa Camada externa de reboco 20 cm tijolo de 6 furos de 125 cm camada interna de reboco 20 cm UTOTAL 24 Wm² C cor escura Material construtivo das paredes internas Drywall com 10 cm de espessura UTOTAL 25 Wm² C Janela externa Vidro simples de 30 mm 20 x 10 m largura x altura UTOTAL 579 Wm² C FGCImáx 694 FCR 026 CS 1 Cobertura Laje de concreto de 20 cm e forro de gesso UTOTAL 115 Wm² C cor escura Porta Porta de madeira comum 10 x 20 m largura x altura UTOTAL 32 Wm² C DADOS DO LOCAL Área do escritório 3758 m² Pédireito altura 30 m Local Maringá PR Temperatura externa média 330 C Ocupação 7 pessoas Tipo de atividade Trabalho de escritório 130 Wpessoa Equipamentos 7 computadores 145 Wcomputador Iluminação 16 Wm² FUL 10 FSA 10 Taxa de infiltração ventilação Baixa pode ser considerada nula Temperatura dos ambientes adjacentes 29C A planta baixa do local pode ser visualizado na imagem a seguir Informação importante Todas as paredes fazem divisa com ambientes internos exceto a parede voltada para a face leste que faz divisa com ambiente externo A temperatura interna de projeto será 24C Após avaliar a situação calcule a carga térmica total considerando as parcelas de condução de calor pelas paredes externa e internas e cobertura janela e porta pessoas equipamentos e iluminação Sabendo que os equipamentos de ar condicionado tipo split comumente encontrados no mercado brasileiro possuem as seguintes capacidades conforme tabela abaixo qual capacidade você recomendaria ao cliente de acordo com o resultado da carga térmica Capacidades Ar Condicionado 9000 BTUh 12000 BTUh 18000 BTUh 24000 BTUh 36000 BTUh Desprezando a perda de carga devido à infiltração e à ventilação as únicas cargas térmicas presentes são as cargas térmicas de transmissão devido à transmissão de calor através das superfícies opacas e transparentes e internas devido à iluminação equipamentos e pessoas A carga térmica de transmissão em superfícies opacas se dá por meio da expressão qsorUA T extT i ΔT Essa expressão será utilizada para calcular a carga térmica de transmissão na parede externa paredes internas porta janela e cobertura de tal forma que a temperatura interna T i será de 24ºC e a temperatura externa dependerá se o objeto está dividindo o escritório da parte externa ou dos demais lugares O termo ΔT ocorrerá apenas para a parede externa e para a cobertura pois representa o acréscimo de temperatura devido à radiação solar presente em superfícies opacas dependendo esta da direção geográfica da parede e de sua cor Na tabela abaixo se encontra um resumo dos parâmetros utilizados e da carga térmica calculada Tabela 1 Carga Térmica Superfícies Opacas Parede externa Parede interna Janela Porta Cobertura U W m 2K 24 25 579 32 115 Am² 1225 5935 200 200 3729 T ext 33 29 33 29 33 ΔT 166 25 qtransW 7526 7419 1042 320 14579 Fonte Próprio autor Para superfícies transparente como é o caso da janela além da transmissão calculada anteriormente é preciso considerar a transmissão de calor por radiação uma vez que a janela é transparente Essa transmissão de taxa de transferência de calor é dada por qstrA FGC Lmax FCR CS26940261 qstr3609W Com isso a carga térmica de transmissão total será de qtranstot qsorqstr qtranstot344956W A carga térmica interna será dada pela soma da carga térmica devido à iluminação às pessoas e aos equipamentos q totqilq pessoasqeq A carga térmica devido à iluminação é dada por qilW A F rsub ul F rsub sa 163758116013 Já a carga térmica devido às pessoas será estimada por q pessoasq pessoas N rsub pessoas 130 7910 E a carga de equipamento será de qe qP N rsub equip 14571015 Logo a carga térmica interna total será de q totqilumqpessoasqequip25263W E consequentemente a carga térmica total no escritório será de qqtranstotq tot3449625263 q59758W ou203904 BTU h Logo para garantir a climatização do escritório fazse necessário a utilização de um condicionador de ar com capacidade superior à carga térmica obtida Entre os condicionadores de ar comerciais o que mais se aproxima à carga térmica calculada é o ar condicionado com capacidade de 24 000 BTUh QUESTÃO 2 Avaliar como as propriedades e funcionamento de um sistema térmico Realizar cálculos e dimensionar a capacidade de funcionamento Verificar a operação e desempenho do sistema Como engenheiro responsável pela supervisão de projetos na área de sistemas mecânicos você foi solicitado a avaliar um sistema de climatização utilizado em um centro comercial na sua cidade O cliente relatou que os equipamentos de ar condicionado central instalados há mais de 20 anos apresentam baixo desempenho e alto consumo de energia impactando diretamente nos custos operacionais e no conforto térmico dos ocupantes Sendo assim o cliente solicitou uma avaliação para verificar a possibilidade de um retrofit ou seja uma substituição desse sistema por um mais atual e eficiente Você foi até o local e solicitou algumas informações ao responsável da manutenção sobre o sistema o qual repassou os seguintes dados O sistema opera com fluido refrigerante R134a O fluido refrigerante é admitido no compressor no estado de vapor superaquecido a 008 MPa e 10C Após a compressão o fluido encontrase a 08 MPa e 627C O refrigerante é então resfriado até 075 MPa como líquido saturado Posteriormente o fluido é expandido até 008 MPa Você verificou também que a carga térmica no local é de 100 kW Com base nesses dados seu objetivo é apresentar um diagnóstico detalhado apontando as principais deficiências do sistema e propondo soluções que garantam maior eficiência energética conforto ambiental e redução dos custos operacionais Despreze a perda de carga e a transferência de calor nas linhas de conexão entre os elementos do sistema Diante dessas informações determine os seguintes parâmetros para o sistema 1 Esboce um diagrama PxH para o ciclo proposto Primeiramente antes de obter o diagrama P x h do ciclo é preciso nomear e identificar os diferentes estados do ciclo Para isso foram desprezadas as perdas de carga e de calor nas tubulações de tal forma que o estado da saída de um elemento do ciclo seja equivalente à entrada do próximo e assim por diante Para isso foi adotado que Estado 1 Saída do evaporador e entrada do compressor Estado 2 Entrada do condensador e saída do compressor Estado 3 Entrada do dispositivo de expansão e saída do condensador Estado 4 Entrada do evaporador e saída do dispositivo de expansão Como esse ciclo é considerado como um ciclo de refrigeração ideal temse que A compressão no compressor é isoentrópica s1s2 A taxa de rejeição de calor para o ambiente externo no condensador ocorre à pressão constante até que o refrigerante condense x30 A expansão no dispositivo de expansão é isoentálpico h3h4 A taxa de absorção de calor no evaporador ocorre à pressão constante até que o refrigerante se torne vapor saturado x11 Assim o diagrama P x h do ciclo será dado por Fonte Adaptado de Çengel e Boles 2006 2 Calcule a vazão mássica em kgs de fluido refrigerante necessária para atender a carga térmica de projeto Para o cálculo da vazão mássica fazse necessário a obtenção dos estados termodinâmicos em todos os pontos do ciclo ou seja é preciso estimar a entalpia em todos os estados para isso foi utilizado o software Minireprop Na tabela abaixo é possível verificar as propriedades termodinâmicas inseridas no software para obter a entalpia note que é preciso de pelo menos duas propriedades termodinâmicas independentes para obter a entalpia h sendo no caso em questão fornecidas a pressão e a temperatura ou título Tabela 1 Propriedades Termodinâmicas do Ciclo de Refrigeração P075 MPa Estado P MPa T ºC ou x h kJkg 1 008 T10 39619 2 08 T627 44768 3 075 x0 24039 4 008 24039 Fonte Próprio autor Como foi informado a carga térmica do sistema Qevap ou seja a taxa de calor absorvida no evaporador a vazão mássica de refrigerante será obtida analisando o evaporador por meio da 1ª Lei da Termodinâmica Para isso será considerado que o sistema de refrigeração se encontra em regime permanente sem variações consideráveis de energia potencial e cinética assim pela 1ª Lei temse que 0 Qevap m h4 m h1 m Qevap h1h4 10 3961924039 m64210 2 kg s 3 Calcule a potência requerida pelo compressor em kW Para o cálculo da potência requerida pelo compressor W c é necessário analisar o compressor por meio da 1ª Lei da Termodinâmica para Volume de Controle Novamente será considerado que o compressor se encontra em regime permanente é adiabático e que o refrigerante não apresenta variações consideráveis de energia potencial e cinética tal que 0 W m h1 m h2 0 W c mh1h2 W c mh2h100642447 6839619 W c33kW Note que ao aplicar a potência do compressor na 1ª Lei foi considerado que este possui uma potência negativa uma vez que consome energia ao invés de produzir Sabendo que atualmente sistemas mais comuns operam com um COP de aproximadamente 40 você avalia que o sistema está operando de maneira adequada ou ainda é possível melhorar o sistema JUSTIFIQUE sua resposta Da definição o COP de um sistema de refrigeração é dado por COP Q evap W c 10 33 COP3 Como foi informado que aparelhos comuns de refrigeração possuem um COP da ordem de 4 cerca de 333 maior que o calculado é possível afirmar que o sistema ainda possui espaço para melhorias Já que COP maiores indicam que o sistema é mais econômico ou seja consome menos potência para produzir o mesmo efeito de refrigeração carga térmica Bibliografia 1 ÇENGEL YA BOLES MA Termodinâmica 5ª Ed McGrawHill 2006