41ANEXOS EXERCÍCIOS RESOLVIDOS AGOSTO DE 2005 42 1- Desenhe uma torre de arrefecimento típica e indique os nomes dos seus componentes: As torres de arrefecimento têm como função arrefecer a água utilizada na condensação dos fluidos refrigerantes. VENTILADOR AXIAL ELIMINADOR DE GOTAS BACIA COLETORA ENCHIMENTO DE CONTATO VENEZIANA PARA ENTRADA DE AR DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA Figura 1- Torre de arrefecimento típica e detalhe do enchimento O enchimento detém a queda direta da água, aumentando a superfície de troca e o tempo de contato. 2- Quais são os parâmetros a serem considerados ao selecionar uma torre de arrefecimento? Para uma adequada escolha de uma torre de arrefecimento é preciso conhecer o limite de resfriamento da água. Se a água é resfriada em contato com o ar o ponto limite de equilíbrio a ser atingido é a temperatura do bulbo úmido do ar ambiente, ou seja: a água não poderá ser resfriada a uma temperatura inferior à TBU do ar. Além disso é preciso considerar a carga térmica do ambiente a ser climatizado e a temperatura de entrada da água quente. É importante registrar que a capacidade da torre é aproximadamente 25% superior à carga térmica ambiente, uma vez que o calor gerado no processo de compressão deverá ser retirado no processo de condensação pela água. 3- Qual a função de uma válvula de expansão termostática em um sistema de refrigeração? A válvula de expansão termostática é usada para regular o fluxo do refrigerante a fim de garantir que ele evapore totalmente na serpentina, para garantir a redução da pressão do sistema e ainda para manter um superaquecimento constante do vapor que deixa a serpentina. Elas podem ser do tipo equalização externa e equalização interna. 43 Figura 2- Esquema de funcionamento de uma válvula com equalização interna de pressão. As válvulas de expansão termostáticas com equalização externa de pressão são utilizadas quando, ao fluir através do evaporador, o fluido sofrer uma queda de pressão elevada devido ao atrito. Dessa forma, sua temperatura de saturação é sempre mais baixa na saída do que na entrada. Como exemplo, considere a válvula com equalização externa de pressão, ilustrada na Figura 3, montada em um sistema com perda de carga no evaporador de 62kPa. 44 Figura 3- Funcionamento de uma válvula com equalização externa de pressão. A tabela a seguir indica o que acontece quando abrimos, fechamos ou adicionamos mais fluido refrigerante no sistema. Superaquecimento Procedimento* Aumenta diminui Abrir válvula x Fechar válvula x Adicionar refrigerante x Retirar refrigerante x * girar no sentido horário fecha a válvula; girar no sentido anti-horário abre a válvula. 4- Explique o que é grau de superaquecimento do fluido refrigerante. Por que ele é utilizado? O superaquecimento do fluido refrigerante à saída do evaporador, definido entre a diferença da temperatura de sucção (Ts) e a temperatura de evaporação saturada (Tev) pode ser medida através de um manifold, termômetro de bulbo ou eletrônico (com sensor de temperatura), isolante e tabela de conversão pressão-temperatura para o fluido refrigerante. Para tanto devemos colocar o bulbo em contato com a linha de sucção. A superfície deve estar limpa e a medição deve ser feita na parte superior do tubo, para evitar leituras falsas. Isole o bulbo ou sensor com o isolante de modo a isolá-lo da temperatura ambiente. Instale o manifold nas linhas de descarga (manômetro de alta) e sucção (manômetro de baixa). Depois que as condições de funcionamento se estabilizarem leia a pressão no manômetro da linha de sucção. Da tabela de R-22 obtenha a temperatura de evaporação saturada (Tve). No termômetro leia a temperatura de sucção (Ts). Faça várias leituras da temperatura. Subtraia a temperatura de evaporação saturada (Tev) da temperatura de sucção, a diferença é o superaquecimento. Se o superaquecimento estiver entre 4°C e 6°C, a regulagem da válvula de expansão está dentro do padrão. Se estiver abaixo, muito refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário fechar a válvula (girar parafuso de regulagem para a direita no sentido horário). Se o superaquecimento estiver alto, pouco refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário abrir a válvula (girar parafuso de regulagem para a esquerda no sentido anti- horário). 5- Considere CFC 12 circulando através do sistema ilustrado na figura. Suponha que a pressão do fluido refrigerante no ponto 2 de 868kPa. O evaporador oferece uma perda de pressão de 50kPa. A válvula provoca uma perda de pressão de 600kPa. A pressão imposta pela mola é de 60kPa. a) Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador interno de pressão? 45 b) Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador externo de pressão? Condensador Evaporador VET FR FR Bulbo 1 2 3 4 Solução: Podemos calcular a pressão 4 da forma: P4= P2 – AP válvula – AP serpentina = 868 - 600 - 50= 218 kPa 46 a) Observe o balanço de pressões no diafragma da válvula com equalização interna de pressão. No equilíbrio temos: PB = PM + P3 PB = 60 + 268=328kPa TB = Tsat (PB)=1,9°C (Tabela de propriedades para R12) AT = T4 – Tsat(P4) AT = 1,9 – Tsat(218kPa) = 1,9 – (-10,2°C)= 12,1°C b) Numa válvula com equalização externa de pressão, o balanço de pressão sobre o bulbo fornece: PB = PM + P4 PB = 60 + 218 = 278kPa TB = Tsat (PB)= -3,1°C Como T4 = TB tem-se: AT = T4 – Tsat(P4) AT = -3,1-(-10,2) =7,1°C Nesse exemplo pode-se concluir que a válvula de expansão termostática com equalização externa é a mais adequada, uma vez que mantém o grau de superaquecimento dentro do que é considerado normal. 6- Como funciona um sistema fan-coil chiller com termoacumulação e por que ele é utilizado? Nestes sistemas o ambiente a ser climatizado troca calor com um equipamento composto por uma serpentina e um ventilador (fan-coil). Pela serpentina tem-se água fria em circulação, proveniente do chiller. A troca térmica envolvida no fan-coil é apenas na forma sensível. Geralmente a água entra no fan-coil a uma temperatura de 7°C e sai a uma temperatura de 12°C. O calor retirado do ambiente climatizado é levado através da água em circulação é trocado com o fluido refrigerante no evaporador do chiller. Este fluido refrigerante é condensado através do uso de um fluxo de água que circula através de uma torre de arrefecimento. O fluxo de água necessário para este processo pode ser calculado através do conhecimento das propriedades do fluido refrigerante ou através da equação da troca de calor sensível aplicada para a água. Uma composição típica deste sistema com termoacumuladores de gelo é muito utilizada para economizar energia nos horários de pico de consumo de energia elétrica. O PB PM P3 PB PM P4 47 sistema de refrigeração (chiller) é utilizado para fabricar gelo durante a madrugada a um custo de energia mais baixo. A água gelada proveniente do fan-coil é desviada para atravessar os tanques de gelo, fazendo com estes exerçam o papel do chiller no final da tarde e início da noite, quando o custo da energia elétrica é mais elevado. 7- Desenhe um sistema do tipo fan-coil chiller com torre de arrefecimento e sistema de termoacumulação. Indique os nomes dos principais componentes (água gelada, água de condensação, água de resfriamento dos banco de gelo, fan-coil, chiller, bomba, torre de arrefecimento). Torre de arrefecimento Fan-coil Trocador de calor (Condensador) Agua gelada Chiller Tanque de gelo Trocador de calor (Evaporador) 8- Considere um sistema de climatização para um auditório de carga térmica de 50TR. Considere que as condições do ar externo são TBS = 32°C e UR de 65%. Suponha que a temperatura de saída da água arrefecida pela torre seja 2°C superior ao TBU do ar externo. Nestas condições, considerando um AT de 5°C, calcule qual a vazão de água (em litros por segundo) que deve circular pela bomba para o pleno funcionamento do sistema. 9- Considere que uma torre de arrefecimento opere com uma vazão de 2000 litros de água por hora e que o diferencial de temperatura de sua entrada e saída seja de 7°C. Calcule qual a capacidade da torre de arrefecimento em TR. (1TR = 3,517kW) (cag=4,186kJ/kg°C) 48 10- Por que os sistemas de termoacumulação são utilizados em instalações de climatização de grande porte? R. Com o aumento de custo de energia elétrica e devido ao fato das fontes de geração hidroelétrica, nosso principal recurso energético, estarem se esgotando ou cada vez mais distantes dos centros de consumo, começou-se a implantar no país uma tarifação diferenciada nos horários de maior consumo de energia. Essa medida visa um melhor aproveitamento da capacidade das usinas que praticamente tem operado no limite de geração nos horários de pico e ociosa nos demais períodos. Atualmente as concessionárias de energia elétrica praticam uma tarifação mais elevada em apenas três horas por dia, mas a exemplo de outros países, esse período tenderá a ser ampliado. Em um edifício, o sistema de ar condicionado é um dos maiores responsáveis pelo consumo de energia elétrica e um projeto adequado pode reduzir em muito a conta de eletricidade no final do mês. A termo-acumulação não leva a um menor consumo de energia. A redução do custo de energia elétrica é conseguida com a redução na potência da subestação e devido a uma transferência no horário de produção do frio, do horário de pico, onde a tarifação é mais elevada, produzindo e armazenando frio a noite quando a energia é mais barata. Outro fato que favorece o uso da termo-acumulação é o fato da mesma proporcionar uma redução na potência instalada. A carga térmica necessária na maioria das instalações de ar condicionado é variável, devido ao fato de serem também variáveis a carga de insolação e a própria ocupação dos ambientes. Em um sistema de ar condicionado convencional, a capacidade tem que ser baseada no horário de maior carga térmica, o que conseqüentemente faz com que os equipamentos fiquem superdimensionados e ociosos na maior parte do tempo. Na termo-acumulação pode-se dimensionar os equipamentos com uma capacidade inferior a capacidade do horário de pico, sendo a diferença completada pela queima da energia térmica acumulada em outro horário. Com isso, consegue-se instalações com potências menores e, conseqüentemente, menores subestações e menores demandas contratadas de energia elétrica. 11- Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada? R. É o meio mais simples e eficiente de armazenamento térmico. Durante o período no qual a carga térmica é reduzida ou no qual a instalação não está sendo utilizada, os chiller são ligados para armazenar água gelada em reservatórios isolados termicamente. Os reservatórios podem ser construídos tanto em chapa de aço como em concreto, sendo constituídos com várias câmaras interligadas segundo a técnica denominada “labirinto” ou mesmo em tanques unicelulares do tipo estratificado que reduzem as perdas por mistura e transmissão, aumentando a eficiência dos mesmos. 49 12- Quais as limitações de um sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada? R. O tanque de água gelada tem duas limitações principais: o volume - é superior a solução de acumulação com gelo e em determinadas obras não há espaço disponível ou o espaço tem elevado valor comercial; A pressão - para pressões elevadas o tanque se torna inviável economicamente, o que limita a aplicação para prédios mais baixos. 13- Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de gelo? R. Os tanques de gelo, diferentemente dos tanques de água gelada, necessitam de dois ciclos distintos: Ciclo de carga ou produção de gelo, no qual é formado gelo no interior dos tanques; Ciclo de descarga ou queima, no qual é consumido o gelo previamente acumulado. Existem diferentes tipos de tanques com diferentes concepções de acumulação de gelo. Os principais fornecedores destes tanques são: Alpina, Semco-Bac e Criogel. Nos sistemas de termo- acumulação em gelo é necessário a introdução na água do circuito de água gelada de uma substância, geralmente etilenoglicol ou propilenoglicol, cuja função principal é abaixar o ponto de congelamento da água permitindo a formação de gelo nos tanques. Esta mistura irá circular através do chiller e dos fan coils. No ciclo de consumo ou queima, a solução de água e etilenoglicol é resfriada ao passar pelos tanques, saindo do tanque a uma temperatura em torno de 2º C, sendo misturada com a solução proveniente do chiller, a uma temperatura mais elevada e enviada novamente aos climatizadores a uma temperatura em torno de 5 a 7º C. 14- Como funciona o sistema de termoacumulação que ice-balls? R. Este sistema proporciona uma redução da capacidade projetada dos resfriadores e seus periféricos, economia no custo da energia empregada em sistemas de ar condicionado de grande porte, aumento da confiabilidade do sistema pelo uso de duas fontes de frio, e substancial ganho de espaço em áreas nobres quando comparado com outros sistemas de 50 acumulação de energia térmica. As “Ice Balls” são pseudo-esferas em polímero plástico, que são armazenadas em reservatórios (tanques) de qualquer formato ou dimensão, adequando-se às necessidades e disponibilidades da obra. 15- Descreva fisicamente qual a relação entre a pressão de saturação do ar e a umidade relativa. R. Sabemos que quanto maior a temperatura do ar, mais umidade pode ser dissolvida nele. Em uma dada temperatura, no limite da capacidade do ar absorver esta umidade temos o ar saturado com umidade relativa 100% e pressão de saturação (p sat ). O ar é uma composição de ar seco e umidade e cada um destes componentes tem uma pressão. A pressão da umidade chama-se pressão parcial de vapor. Quanto mais umidade dissolvida no ar, maior esta pressão de vapor - até o limite de p sat (que é a máxima pressão parcial do vapor possível para aquela dada temperatura). Como a definição da umidade relativa é a relação entre pressão parcial de vapor (p v ) e a pressão de saturação (valor fixo e definido para cada temperatura) temos que quanto maior a pressão parcial de vapor, maior a umidade relativa do ar. 16- O ar de uma sala atravessa uma serpentina de resfriamento e desumidificação (SRD). Calcule qual a capacidade da SRD se a condição de entrada foi de TBS = 30°C e UR de 50% e a de saída foi de 20°C e UR de 40%. A vazão do ar que atravessou a serpentina foi de 7200m 3 /h. R. Para o cálculo do fluxo de massa de ar que atravessa a SRD é preciso conhecer o volume específico do ar na entrada da mesma. Este valor é obtido a partir da marcação da condição de entrada do ar na SRD na carta psicrométrica. Desta forma obtém-se v=0,878m3/kg. O fluxo de massa (kg/s) é obtido pela relação entre vazão (em m3/s) por o volume específico. Na carta psicrométrica devemos obter ainda as entalpias do ar na condição de entrada e de saída da SRD. kW , ) , .( , . ) h h .( m q ar SRD 18 67 35 5 64 878 0 1 3600 7200 2 1 = ÷ = ÷ = Observe ainda as unidades envolvidas no balanço de energia envolvendo a SRD. s kJ kg kJ . s kg kW = | | . | \ | = 17– Um fluxo de 4800 m 3 /h de ar a temperatura de 30°C e UR de 50% é misturado com um fluxo de 10800m 3 /h de ar a uma temperatura de 20°C e UR de 50%. Calcule qual a temperatura e a entalpia final da mistura do ar. Considere a densidade do ar como sendo 1,2 m 3 /kg. Um balanço de energia em um volume de controle envolvendo a junção dos dois fluxos de ar fornece: kg / kJ , m h . m h . m h h . m h . m h . m 84 46 3 2 2 1 1 3 3 3 2 2 1 1 = + = > ÷÷ ÷ = + 51 Traçando-se uma linha reta ligando os pontos 1 e 2 e uma reta a partir da entalpia 3 calculada obtemos na intersecção o ponto 3 na carta psicrométrica. Desta forma: TBS3=23,2C. 18- Calcule através da equação matemática, a entalpia específica do ar que encontra se na temperatura de 40°C e umidade absoluta de 16 g de vapor d’água por kg de ar seco (ou 0,016 kgv/kga). R. A equação para calcular a entalpia é: ) TBS . , .( w TBS . , h 805 1 2501 007 1 + + = Logo, substituindo-se valores temos: kg / kJ , ) . , .( , . , h 45 81 40 805 1 2501 016 0 40 007 1 = + + = 19- Uma vazão de 6400m 3 /h de ar atravessa uma serpentina elétrica que libera 12kW de potência de aquecimento. Se a temperatura de entrada do ar foi de 15°C e UR de 50%, calcule qual a TBS final e qual entalpia do ar na saída? Considere que a densidade do ar na entrada da serpentina é de 1,225 m 3 /kg. R. Observe que a condição do ar antes de atravessar a serpentina pode ser obtida na carta psicrométrica a partir dos dados de TBS e UR apresentados (Observe que h1 = 29kJ/kg). kg / kJ , , h ) h .( . , ) h h .( m q ar aquec 51 34 29 177 2 12 2 29 2 3600 6400 225 1 12 1 2 = + = ¬ ÷ | . | \ | = ¬ ÷ = Na carta, traçando uma reta horizontal partindo do ponto 1 e cruzando-a com a reta da entalpia calculada temos TBS2=19C. Observar que a umidade absoluta da condição do ar na entrada é a mesma que a umidade absoluta do ar na saída. 20 Calcule a densidade do ar atmosférico a T=25°C e pressão de 96,5kPa e de posse deste resultado estime qual a massa de ar existente em uma sala de aula fechada com largura de 15m, comprimento de 10m e altura de 3m. R. Considerando-se que o ar atmosférico na pressão dada comporta-se como um gás- perfeito podemos utilizar a equação dos gases perfeitos (Clapeyron) para obter a densidade. kg , ) . . .( , V . m m / kg , ) , .( , T . Ra p 15 507 3 10 15 127 1 127 1 15 273 25 035 287 96500 3 = = = = + = = p p 21- Um jato de ar a uma temperatura de 18°C passa dentro de um duto não isolado 52 através de um ambiente a TBS de 32°C e umidade relativa de 60%. Nestas condições haverá condensação sobre o duto ? R. Para resolver este tipo de questão, basta utilizar a carta psicrométrica. Marcar o ponto referente à temperatura e umidade relativa do ar externo e traçando uma linha horizontal da direita para a esquerda, verificar o ponto em que há cruzamento com a linha de saturação. A temperatura encontrada neste caso é de cerca de 23°C. Neste ponto, situa-se a temperatura de orvalho do ar externo, ou seja, se a temperatura do ar é resfriada abaixo deste valor, haverá condensação. Neste exemplo a temperatura de orvalho é de 23°C e a temperatura da face externa do duto é praticamente de 18°C (não há isolamento e a condutividade da chapa é elevada), o que faz com que a condensação da umidade seja inevitável. A solução deste problema geralmente é conseguida através do isolamento do duto. Conclusão: Haverá condensação sobre a face externa do duto porque a Temperatura da chapa é menor que a Temperatura de orvalho do ar externo. 22- Uma garrafa térmica contém 4 litros de café a uma temperatura de 90 C. O café frio de um copo com volume 2 litros, a 30 C, é despejado de volta na garrafa. Se a capacidade calorífica da garrafa for desprezível, qual será a temperatura do café depois da mistura? R. Considerando que não ocorra perda de calor para o meio externo temos: ) inicial T T .( c . m recebido Q ) T inicial T .( c . m cedido Q recebido Q cedido Q frio corpo final frio final quente corpo quente ÷ = ÷ = = Logo temos que: ) Tfinal .( c . ) Tfinal .( c . 30 2 90 4 ÷ = ÷ Aplicamos a propriedade distributiva e obtemos que: C Tfinal Tfinal Tfinal . Tfinal . o 70 420 6 60 2 4 360 = > ÷ ÷ = > ÷÷ ÷ ÷ = ÷ 23- As grandezas 5 TR, 4,18kJ/kg°C e 300K eqüivalem em outras unidades à: Sabemos que 1 TR eqüivale a 12.000Btu/h, logo 5 TR eqüivale a 60.000Btu/h. Já 1 kcal corresponde a 4,186kJ. A conversão de Temperatura na escala Celsius para Kelvin se dá somando 273,15. 53 24- Como podemos calcular com exatidão a densidade do ar? R. A densidade do ar pode ser calculada através da hipótese de que este é um Gás perfeito, o que totalmente admissível para as condições normais de temperatura e pressão. Desta forma, isolando-se a densidade na equação dos gases perfeitos tem-se: p=p/(R.T) onde, p é a pressão atmosférica, Ra a constante do ar (Ra = 287,035 J/kg K) e T é a temperatura do ar (em Kelvin). 25- Por que conhecer a temperatura de orvalho é importante nos sistemas de climatização? R. A temperatura na qual o vapor de água da atmosfera começa a condensar é conhecida como temperatura de orvalho do ar. Esta propriedade é muito importante, pois a partir dela pode-se calcular as espessuras de isolamento adequadas para dutos, câmaras frigoríficas e refrigeradores domésticos. Ou seja, se o isolamento é ruim, haverá uma temperatura superficial externa baixa da parede da câmara ou de um duto e desta forma, haverá condensação do vapor d´água presente no ar sobre esta parede. 26- O que é pressão de saturação do ar e qual sua relação com a umidade relativa? A pressão de saturação ocorre quando tem-se o máximo possível de vapor d´água dissolvido no ar a uma dada temperatura. Neste caso, diz-se que o ar está saturado e adota-se esta condição para o cálculo da umidade relativa do mesmo. Tomando-se o ar a uma dada temperatura, Ta, e certa pressão de vapor, pv, e adicionando-se o máximo de vapor d’água fisicamente possível, obtém-se o ar saturado na temperatura Ta e com pressão de saturação psat na temperatura (Ta). A umidade relativa representa a relação entre a pressão parcial de vapor d´água presente no ar (pv) e a pressão de saturação do mesmo a uma mesma temperatura (psat). UR = 100*(pv/psat) 27- Por que a temperatura do bulbo úmido é sempre inferior ou igual à temperatura de bulbo seco? R. Porque a quantidade de água que pode evaporar da mecha molhada do termômetro de bulbo úmido para o ar depende da quantidade de vapor d´água dissolvido no ar que passa pelo bulbo úmido. Se o mesmo já estiver saturado com umidade, não evaporará nenhuma quantidade de água da mecha para o ar e não haverá resfriamento no termômetro de bulbo úmido. Neste caso, TBS seria igual à TBU. 28- Quais são as temperaturas de bulbo seco e umidades relativas que proporcionam o conforto térmico a um universo maior de pessoas? R. O estudioso Fanger estudou os parâmetros que garantem o conforto térmico dos seres humanos na década de 70 e descobriu que uma dada condição do ambiente não é capaz de agradar a todos os usuários, uma vez que a sensação de conforto térmico é subjetiva e percebida de forma diferente pelos indivíduos. Fanger no entanto descobriu que há faixas de temperatura e de umidade relativas que agradam um percentual maior de usuários. Há além destas duas grandezas diversos fatores que influenciam esta sensação tais como velocidade do ar, tipo de vestimentas, metabolismo, temperatura das paredes do ambiente. A norma brasileira recomenda para escritórios e residências temperaturas de 23 a 25 graus para temperaturas internas no verão. A umidade relativa recomendada é de 40 a 60%. Estes parâmetros dependem também da aplicação. Por isso é importante a consulta às normas técnicas. 54 29- Analise a Lei de Dalton das pressões parciais e qual a aplicação desta na psicrometria? R. Segundo a Lei de Dalton, se diversos gases ocupam o mesmo volume a uma dada temperatura, a pressão total provocada por estes é a soma das pressões parciais de seus constituintes, cada um considerado no mesmo volume e temperatura. Desta forma, a Lei de Dalton estabelece que: a) a pressão exercida por cada um dos gases da mistura é independente da presença de outros gases. b) a pressão total da mistura de gases é a soma das pressões parciais dos componentes. Para o caso do ar atmosférico, a pressão total (p total ) é igual à soma da pressão parcial do ar seco (p ar ) com a pressão parcial do vapor d´água (p vapor ) dissolvido no ar. vapor ar total p p p + = Na figura, ilustra-se a lei de Dalton de maneira gráfica. ARSECO APENAS VAPOR D´ ÁGUA APENAS ARSECO + VAPOR D´ ÁGUA m = 1kg m = 0 p = 100143 Pa p = 0 p = 100143 Pa a v a s t m = 0kg m = 0,00737kg p = 0 P= 1182 Pa P= 1182 Pa a v a s t m = 1kg M= 0,00737kg p = 100143 Pa P= 1182 Pa P= 101325 Pa a v a s t T= 20 C o T= 20 C o T= 20 C o 30- Dada a instalação a seguir, sabe-se que um fluxo de massa de ar externo (1) e m =0,7kg/s é misturado com outro fluxo de ar de retorno r m =4,5kg/s. As condições do ar externo (E) ou ponto 1 são: TBS=32°C e umidade relativa (o)=60%. Já o ar de retorno (2) apresenta as seguintes condições (iguais ao ar de exaustão, 2”): TBS=25°C e o=50%. Sabendo ainda que a carga térmica sensível ambiente sensível q =12kW e a carga térmica latente latente q =2kW. Calcule: - a temperatura do ar de insuflamento - a capacidade da serpentina de resfriamento e desumidificação - a quantidade de água retirada pela serpentina de resfriamento e desumidificação 55 AMBIENTE CLIMATIZADO R E T O R N O SERPENTINA DERESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO VENTILADOR AREXTERNO EXAUSTÃO CARGA TÉRMICA MISTURA 4 3 2 2’‘ 1 2’ Solução. O primeiro passo é marcar os pontos conhecidos na carta psicrométrica e encontrar as propriedades: Ponto Entalpia específica (kJ/kg) Fluxo de massa (kg/s) TBS UR 1 79,0 0,7 32 60% 2 50,5 25 50% 3 4 5,2 2’ 50,5 4,5 25 50% 2” 50,5 25 50% O segundo passo é realizar um balanço de massa e energia na casa de mistura onde determinamos o fluxo de massa de entrada na serpentina de resfriamento ( 3 m ) e a entalpia do ponto 3 através da lei da linha reta, que diz que o ponto 3 está localizado sobre uma reta entre 1 e 2. s kg m m m m m / 2 , 5 5 , 4 7 , 0 4 3 ' 2 1 3 = + = = + = 3 3 ' 2 ' 2 1 1 1 . . h m h m h m = + a kg kJ h / 3 , 54 2 , 5 5 , 50 . 5 , 4 79 . 7 , 0 3 = + = A entalpia do ponto 4 é calculada através de um balanço de energia no ambiente climatizado. 2 2 4 4 h m q h m CT = + onde CT q é a carga térmica total recebida pelo ambiente. 56 a CT kg kJ m q h m h / 8 , 47 2 , 5 14 5 , 50 . 2 , 5 4 2 2 4 = ÷ = ÷ = Com a entalpia 4 basta traçar a linha de fator de calor sensível na carta. Para encontrar a temperatura de insuflamento (4) deve-se calcular o Fator de calor sensível = 12/14=0,85 (definido como a carga térmica sensível sobre a carga térmica total) e traçar uma reta a partir do ponto 2 na carta psicrométrica. A inclinação da reta é definida pelo valor 0,85 encontrado no semicírculo interno localizado no canto superior esquerdo da carta. Desta forma, no cruzamento da linha do FCS e linha de entalpia 47,8kJ/kg encontramos o ponto 4 que tem TBS 4 =22,8°C. h4 TBS4 TBS2 TBS1 1 2 4 3 h3 FCS= qsen/qtotal A capacidade da serpentina de resfriamento e desumidificação é calculada por um balanço de energia na serpentina da forma: (Lembre-se que a energia se conserva, logo, a energia que entra com o fluxo de ar 3 3 h m é igual a energia retirada pela serpentina SRD q mais a energia que sai com o fluxo de ar 4 4 h m . h m q h m SRD 4 3 3 + = kW h m h m q SRD 9 , 33 8 , 47 . 2 , 5 3 , 54 . 2 , 5 4 4 3 3 = ÷ = ÷ = Da mesma forma calcula-se o fluxo de água retirada pela serpentina através do balanço de massa de água na serpentina. ) ( 4 3 4 4 3 3 4 4 3 3 w w m w m w m m w m m w m cond cond ÷ = ÷ = + = Onde a m = 5,2kg/s, w 3 e w 4 são encontrados na carta psicrométrica. 57 31- Compare a partir de análise de custos qual a solução mais econômica para uma instalação de ar condicionado entre as duas opções abaixo. O sistema pode ser de janela ou split. A capacidade é de 30TR. O uso é de 8 horas por dia durante 260 dias por ano durante 10 anos de uso. Analise as alternativas a partir dos custos iniciais e de operação. Considere que 1kW.h custa R$ 0,30. a) sistema de ar de janela – E.E.R de 7,0 – custo inicial de R$ 600,00 por TR, custo mensal de manutenção de R$ 20,00 por TR. b) Sistema split – E.E.R. de 9,0 – custo inicial de R$ 1000,00 por TR, custo mensal de manutenção de R$ 30,00 por TR. R. Vamos calcular os custos de operação e iniciais para cada tipo de equipamento. Inicialmente considere os aparelhos de janela. A capacidade de 30 TR corresponde à 30 x 12000 = 360 000 Btu/h. O consumo em Watts destes equipamentos pode ser calculado através da equação para E.E.R.: ) W ( consumo ) h / Btu ( capacidade R . E . E = Logo temos que: W , . . R . E . E ) h / Btu ( capacidade ) W ( consumo 51428 0 7 000 360 = = = Observe que o gasto de energia elétrica ao longo dos 10 anos é calculado por: kWh / $ R . horas número ). h . kW em ( consumo $ R em Gasto = O número de horas é de 8x260x10=20800h. Desta forma: 72 910 320 30 0 20800 428 51 , . $ R , x x , $ R em Gasto = = O custo inicial é calculado por: 00 000 18 30 600 , . $ R x TR $ R $ R em inicial Custo = = Já o custo de manutenção é calculado por: 00 000 72 120 30 00 20 , . $ R meses . TR . TR mês , $ R $ R em manutenção Custo = | . | \ | = Somando-se os custos de manutenção, de energia elétrica e inicial temos: 410.910,72 R$. Os mesmos cálculos podem ser realizados para os equipamentos splits obtendo-se: 387.600,00R$. 58 32- Considere um sistema de refrigeração padrão operando com fluido refrigerante R12 e com temperatura de condensação de 42 °C e temperatura de evaporação de –12 °C. Calcule o Coeficiente de Performance. Considere o ponto 1 a saída do vapor saturado seco do evaporador e o ponto 3 como o ponto de saída do condensador. Resposta: É conveniente iniciarmos a solução de problema montando uma tabela que resume as principais propriedades do fluido ao longo do ciclo de refrigeração. O preenchimento da mesma começa através dos itens mais conhecidos, tais como temperaturas dos pontos 1 (-12 °C pois o processo de evaporação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de vapor saturado seco), 3 (42 °C pois a condensação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de líquido saturado) e 4 (-12°C porque o ponto está sobre uma isoterma na região de saturação). Já o ponto 2 está sobre uma linha isoentrópica partindo de 1 e sobre uma isobárica na pressão de condensação. As pressões de condensação (1008,8kPa) e de evaporação (203,9kPa) podem ser encontradas nas tabelas de propriedades. Entalpia [kJ/kg] Entropia [kJ/kg C] Volume específico [l/kg] T [°C] p [kPa] h l h v s l s v v l v v -12 203,9 189,001 346,252 0,95910 1,5612 0,69703 82,0344 42 1008,8 240,574 367,825 1,13620 1,53996 0,80325 17,2785 ENTALPIA ESPECÍFICA (kJ/kg) 400 350 200 1,70 20 0 -10 1,60 100 400 600 800 1000 360 370 380 390 P R E S S Ã O ( k P a ) 30 40 C 10 -20 2 1 E N T R O P I A C O N S T A N T E ( k J / k g C ) o O valor de entalpia do ponto 2 obtida a partir da Figura 1.9 é aproximadamente 375kJ/kg, logo temos: COP = Qe/Wc = 3,67 59 Ponto T (°C) P (kPa) h (kJ/kg) s (kJ/Kg°C) Título (%) Estado do fluido 1 -12 203,9 346,25 1,561 100 Vapor saturado seco 2 52 1008,8 ~ 375 1,561 - Vapor superaquecido 3 42 1008,8 240,57 1,129 0 Líquido saturado 4 -12 203,9 240,57 s4 x4 Líquido e vapor Note que na tabela anterior, temos que o título do ponto 4, propriedade que define a quantidade de vapor está contido na mistura pode ser calculado por: 32 , 0 001 , 189 252 , 346 001 , 189 57 , 240 ) ( ) ( ) ( 4 4 = ÷ ÷ = ÷ ÷ = E E E P l P v P l h h h h x onde as grandezas hl(PE) e hv(PE) correspondem à entalpia do líquido saturado e do vapor saturado respectivamente obtidos na pressão de evaporação. 60 CALENDÁRIO 2005 - ATUALIZADO AGOSTO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 05 - FINAL DO 1º SEMESTRE 1 2 3 4 5 6 06 A 20 - FÉRIAS ESCOLARES 7 8 9 10 11 12 13 16 E 17 - ENCONTROS PEDAGÓGICOS 14 15 16 17 18 19 20 18 E 19 - PLANEJAMENTO DE ENSINO 21 22 23 24 25 26 27 22 - INÍCIO DO 2º SEMESTRE 2005 28 29 30 31 9 DIAS LETIVOS (2005-2) SETEMBRO Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 1 2 3 07 - FERIADO (INDEPENDÊNCIA DO BRASIL) 4 5 6 7 8 9 10 12-EXAME MÉDICO ALUNOS ENSINO MÉDIO 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 25 DIAS LETIVOS OUTUBRO Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 1 12 - FERIADO RELIGIOSO (NOSSA SENHORA APARECIDA 2 3 4 5 6 7 8 15 - DIA DO PROFESSOR 9 10 11 12 13 14 15 17 - TRANCAMENTO DE MATRÍCULA (ÚLTIMO DIA) 16 17 18 19 20 21 22 28 - DIA DO SERVIDOR PÚBLICO 23 24 25 26 27 28 29 28 - VALIDAÇÃO DE COMPONENTE CURRICULAR 30 31 25 DIAS LETIVOS NOVEMBRO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 02 - FERIADO RELIGIOSO(FINADOS) 1 2 3 4 5 14 - RECESSO (DIA DO SERVIDOR PÚBLICO) 6 7 8 9 10 11 12 15 - FERIADO (PROCLAMAÇÃO DA REPÚBLICA) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 23 DIAS LETIVOS DEZEMBRO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 9 - EXAME DE CLASSIFICAÇÃO 1 2 3 21 - FINAL DO 2º SEMESTRE (100 DIAS LETIVOS) 4 5 6 7 8 9 10 19 E 20 - MATRÍCULA PARA ALUNOS NOVOS 11 12 13 14 15 16 17 22 - ENCONTROS PEDAGÓGICOS 18 19 20 21 22 23 24 23 - PUBLICAÇÃO RESULTADO DOS ENC. PEDAGÓGICOS 25 26 27 28 29 30 31 25 - NATAL 18 DIAS LETIVOS 61 Fatores de conversão úteis 1 lbf = 4,448 N 1 Btu = 1055 J 1 lbf/pol² (ou PSI) = 6895 Pa 1 kcal = 4,1868 kJ 1 pol = 0,0254 m 1 kW = 3413 Btu/h 1 H.P. = 746 W = 2545 Btu/h 1 litro (l) = 0,001 m³ 1 kcal/h = 1163 W 1 TR = 3517 W 1 m = 100 cm 12000 Btu/h = 1 TR* Calor específico da água = 4,186 kJ/kgC Calor específico do ar = 1,0 kJ/kgC Densidade da água = 1000kg/m 3 42 1- Desenhe uma torre de arrefecimento típica e indique os nomes dos seus componentes: As torres de arrefecimento têm como função arrefecer a água utilizada na condensação dos fluidos refrigerantes. VENTILADOR AXIAL ELIMINADOR DE GOTAS ENCHIMENTO DE CONTATO DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA VENEZIANA PARA ENTRADA DE AR BACIA COLETORA Figura 1- Torre de arrefecimento típica e detalhe do enchimento O enchimento detém a queda direta da água, aumentando a superfície de troca e o tempo de contato. 2- Quais são os parâmetros a serem considerados ao selecionar uma torre de arrefecimento? Para uma adequada escolha de uma torre de arrefecimento é preciso conhecer o limite de resfriamento da água. Se a água é resfriada em contato com o ar o ponto limite de equilíbrio a ser atingido é a temperatura do bulbo úmido do ar ambiente, ou seja: a água não poderá ser resfriada a uma temperatura inferior à TBU do ar. Além disso é preciso considerar a carga térmica do ambiente a ser climatizado e a temperatura de entrada da água quente. É importante registrar que a capacidade da torre é aproximadamente 25% superior à carga térmica ambiente, uma vez que o calor gerado no processo de compressão deverá ser retirado no processo de condensação pela água. 3- Qual a função de uma válvula de expansão termostática em um sistema de refrigeração? A válvula de expansão termostática é usada para regular o fluxo do refrigerante a fim de garantir que ele evapore totalmente na serpentina, para garantir a redução da pressão do sistema e ainda para manter um superaquecimento constante do vapor que deixa a serpentina. Elas podem ser do tipo equalização externa e equalização interna. ao fluir através do evaporador. sua temperatura de saturação é sempre mais baixa na saída do que na entrada. considere a válvula com equalização externa de pressão. . As válvulas de expansão termostáticas com equalização externa de pressão são utilizadas quando.Esquema de funcionamento de uma válvula com equalização interna de pressão. o fluido sofrer uma queda de pressão elevada devido ao atrito. Como exemplo.43 Figura 2. montada em um sistema com perda de carga no evaporador de 62kPa. ilustrada na Figura 3. Dessa forma. Considere CFC 12 circulando através do sistema ilustrado na figura. No termômetro leia a temperatura de sucção (Ts). a diferença é o superaquecimento. Se estiver abaixo. A superfície deve estar limpa e a medição deve ser feita na parte superior do tubo. definido entre a diferença da temperatura de sucção (Ts) e a temperatura de evaporação saturada (Tev) pode ser medida através de um manifold. Subtraia a temperatura de evaporação saturada (Tev) da temperatura de sucção. A pressão imposta pela mola é de 60kPa. A válvula provoca uma perda de pressão de 600kPa. muito refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário fechar a válvula (girar parafuso de regulagem para a direita no sentido horário).Explique o que é grau de superaquecimento do fluido refrigerante. 4. Instale o manifold nas linhas de descarga (manômetro de alta) e sucção (manômetro de baixa). O evaporador oferece uma perda de pressão de 50kPa. Para tanto devemos colocar o bulbo em contato com a linha de sucção. Se o superaquecimento estiver alto. a) Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador interno de pressão? . 5. termômetro de bulbo ou eletrônico (com sensor de temperatura). pouco refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário abrir a válvula (girar parafuso de regulagem para a esquerda no sentido antihorário). girar no sentido anti-horário abre a válvula.44 Figura 3. Se o superaquecimento estiver entre 4C e 6C. fechamos ou adicionamos mais fluido refrigerante no sistema. Suponha que a pressão do fluido refrigerante no ponto 2 de 868kPa. Por que ele é utilizado? O superaquecimento do fluido refrigerante à saída do evaporador. Depois que as condições de funcionamento se estabilizarem leia a pressão no manômetro da linha de sucção. isolante e tabela de conversão pressão-temperatura para o fluido refrigerante. A tabela a seguir indica o que acontece quando abrimos.Funcionamento de uma válvula com equalização externa de pressão. a regulagem da válvula de expansão está dentro do padrão. Procedimento* Superaquecimento Aumenta diminui Abrir válvula x Fechar válvula x Adicionar refrigerante x Retirar refrigerante x * girar no sentido horário fecha a válvula. Faça várias leituras da temperatura. Da tabela de R-22 obtenha a temperatura de evaporação saturada (Tve). para evitar leituras falsas. Isole o bulbo ou sensor com o isolante de modo a isolá-lo da temperatura ambiente. 45 b) Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador externo de pressão? Bulbo 4 FR 2 VET 3 Evaporador FR 1 Condensador Solução: Podemos calcular a pressão 4 da forma: P4= P2 – P válvula – P serpentina = 868 .600 .50= 218 kPa . 6.2) =7. O fluxo de água necessário para este processo pode ser calculado através do conhecimento das propriedades do fluido refrigerante ou através da equação da troca de calor sensível aplicada para a água.1C PM P4 Nesse exemplo pode-se concluir que a válvula de expansão termostática com equalização externa é a mais adequada.1C b) Numa válvula com equalização externa de pressão.46 a) Observe o balanço de pressões no diafragma da válvula com equalização interna de pressão.9 – Tsat(218kPa) = 1. Este fluido refrigerante é condensado através do uso de um fluxo de água que circula através de uma torre de arrefecimento. No equilíbrio temos: PB PB = PM + P3 PB = 60 + 268=328kPa TB = Tsat (PB)=1. O calor retirado do ambiente climatizado é levado através da água em circulação é trocado com o fluido refrigerante no evaporador do chiller.1C Como T4 = TB tem-se: T = T4 – Tsat(P4) T = -3. Geralmente a água entra no fan-coil a uma temperatura de 7C e sai a uma temperatura de 12C.2C)= 12.1-(-10. Uma composição típica deste sistema com termoacumuladores de gelo é muito utilizada para economizar energia nos horários de pico de consumo de energia elétrica. proveniente do chiller. A troca térmica envolvida no fan-coil é apenas na forma sensível.9 – (-10. Pela serpentina tem-se água fria em circulação.Como funciona um sistema fan-coil chiller com termoacumulação e por que ele é utilizado? Nestes sistemas o ambiente a ser climatizado troca calor com um equipamento composto por uma serpentina e um ventilador (fan-coil). O .9C (Tabela de propriedades para R12) PM P3 T = T4 – Tsat(P4) T = 1. uma vez que mantém o grau de superaquecimento dentro do que é considerado normal. o balanço de pressão sobre o bulbo fornece: PB PB = PM + P4 PB = 60 + 218 = 278kPa TB = Tsat (PB)= -3. 7. A água gelada proveniente do fan-coil é desviada para atravessar os tanques de gelo. 9. Nestas condições. fazendo com estes exerçam o papel do chiller no final da tarde e início da noite.Desenhe um sistema do tipo fan-coil chiller com torre de arrefecimento e sistema de termoacumulação. calcule qual a vazão de água (em litros por segundo) que deve circular pela bomba para o pleno funcionamento do sistema. água de resfriamento dos banco de gelo.186kJ/kgC) .517kW) (cag=4. água de condensação.Considere que uma torre de arrefecimento opere com uma vazão de 2000 litros de água por hora e que o diferencial de temperatura de sua entrada e saída seja de 7C. Suponha que a temperatura de saída da água arrefecida pela torre seja 2C superior ao TBU do ar externo. torre de arrefecimento). bomba. considerando um T de 5C.47 sistema de refrigeração (chiller) é utilizado para fabricar gelo durante a madrugada a um custo de energia mais baixo. Indique os nomes dos principais componentes (água gelada.Considere um sistema de climatização para um auditório de carga térmica de 50TR. Calcule qual a capacidade da torre de arrefecimento em TR. fan-coil. chiller. Considere que as condições do ar externo são TBS = 32C e UR de 65%. Trocador de calor (Condensador) T anque de gelo Chiller T orre de arrefecimento Fan-coil Agua gelada Trocador de calor (Evaporador) 8. quando o custo da energia elétrica é mais elevado. (1TR = 3. 48 10. estarem se esgotando ou cada vez mais distantes dos centros de consumo. Em um sistema de ar condicionado convencional. A carga térmica necessária na maioria das instalações de ar condicionado é variável. sendo a diferença completada pela queima da energia térmica acumulada em outro horário. Com isso. onde a tarifação é mais elevada. aumentando a eficiência dos mesmos. A termo-acumulação não leva a um menor consumo de energia. do horário de pico. Durante o período no qual a carga térmica é reduzida ou no qual a instalação não está sendo utilizada. Essa medida visa um melhor aproveitamento da capacidade das usinas que praticamente tem operado no limite de geração nos horários de pico e ociosa nos demais períodos. os chiller são ligados para armazenar água gelada em reservatórios isolados termicamente. Com o aumento de custo de energia elétrica e devido ao fato das fontes de geração hidroelétrica. sendo constituídos com várias câmaras interligadas segundo a técnica denominada “labirinto” ou mesmo em tanques unicelulares do tipo estratificado que reduzem as perdas por mistura e transmissão. a capacidade tem que ser baseada no horário de maior carga térmica. Os reservatórios podem ser construídos tanto em chapa de aço como em concreto.Por que os sistemas de termoacumulação são utilizados em instalações de climatização de grande porte? R. menores subestações e menores demandas contratadas de energia elétrica. nosso principal recurso energético. esse período tenderá a ser ampliado. o que conseqüentemente faz com que os equipamentos fiquem superdimensionados e ociosos na maior parte do tempo. . mas a exemplo de outros países. Na termo-acumulação pode-se dimensionar os equipamentos com uma capacidade inferior a capacidade do horário de pico.Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada? R. 11. consegue-se instalações com potências menores e. É o meio mais simples e eficiente de armazenamento térmico. Outro fato que favorece o uso da termo-acumulação é o fato da mesma proporcionar uma redução na potência instalada. A redução do custo de energia elétrica é conseguida com a redução na potência da subestação e devido a uma transferência no horário de produção do frio. o sistema de ar condicionado é um dos maiores responsáveis pelo consumo de energia elétrica e um projeto adequado pode reduzir em muito a conta de eletricidade no final do mês. Atualmente as concessionárias de energia elétrica praticam uma tarifação mais elevada em apenas três horas por dia. produzindo e armazenando frio a noite quando a energia é mais barata. começou-se a implantar no país uma tarifação diferenciada nos horários de maior consumo de energia. conseqüentemente. devido ao fato de serem também variáveis a carga de insolação e a própria ocupação dos ambientes. Em um edifício. Este sistema proporciona uma redução da capacidade projetada dos resfriadores e seus periféricos. sendo misturada com a solução proveniente do chiller.Como funciona o sistema de termoacumulação que ice-balls? R. e substancial ganho de espaço em áreas nobres quando comparado com outros sistemas de . Nos sistemas de termoacumulação em gelo é necessário a introdução na água do circuito de água gelada de uma substância. No ciclo de consumo ou queima. O tanque de água gelada tem duas limitações principais: o volume .é superior a solução de acumulação com gelo e em determinadas obras não há espaço disponível ou o espaço tem elevado valor comercial. saindo do tanque a uma temperatura em torno de 2º C. diferentemente dos tanques de água gelada.para pressões elevadas o tanque se torna inviável economicamente. Semco-Bac e Criogel. a uma temperatura mais elevada e enviada novamente aos climatizadores a uma temperatura em torno de 5 a 7º C. no qual é formado gelo no interior dos tanques. Os tanques de gelo. economia no custo da energia empregada em sistemas de ar condicionado de grande porte. o que limita a aplicação para prédios mais baixos. cuja função principal é abaixar o ponto de congelamento da água permitindo a formação de gelo nos tanques. 13. aumento da confiabilidade do sistema pelo uso de duas fontes de frio. Existem diferentes tipos de tanques com diferentes concepções de acumulação de gelo. A pressão . geralmente etilenoglicol ou propilenoglicol.Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de gelo? R. a solução de água e etilenoglicol é resfriada ao passar pelos tanques. necessitam de dois ciclos distintos: Ciclo de carga ou produção de gelo. 14. Ciclo de descarga ou queima. no qual é consumido o gelo previamente acumulado. Os principais fornecedores destes tanques são: Alpina.49 12. Esta mistura irá circular através do chiller e dos fan coils.Quais as limitações de um sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada? R. Para o cálculo do fluxo de massa de ar que atravessa a SRD é preciso conhecer o volume específico do ar na entrada da mesma. no limite da capacidade do ar absorver esta umidade temos o ar saturado com umidade relativa 100% e pressão de saturação (psat). Como a definição da umidade relativa é a relação entre pressão parcial de vapor (pv) e a pressão de saturação (valor fixo e definido para cada temperatura) temos que quanto maior a pressão parcial de vapor.878m3/kg.84kJ / kg m3 .h 2 m3. R. maior a umidade relativa do ar. O ar é uma composição de ar seco e umidade e cada um destes componentes tem uma pressão. O fluxo de massa (kg/s) é obtido pela relação entre vazão (em m3/s) por o volume específico. As “Ice Balls” são pseudo-esferas em polímero plástico.h1 m 2.(h1 h 2) 7200 1 .Descreva fisicamente qual a relação entre a pressão de saturação do ar e a umidade relativa.50 acumulação de energia térmica.5 35) 67. Quanto mais umidade dissolvida no ar. Desta forma obtém-se v=0. que são armazenadas em reservatórios (tanques) de qualquer formato ou dimensão.(64.h3 h3 m1. Calcule qual a temperatura e a entalpia final da mistura do ar. q SRD m ar .O ar de uma sala atravessa uma serpentina de resfriamento e desumidificação (SRD). Na carta psicrométrica devemos obter ainda as entalpias do ar na condição de entrada e de saída da SRD. A pressão da umidade chama-se pressão parcial de vapor. Em uma dada temperatura. s kg s 17– Um fluxo de 4800 m3/h de ar a temperatura de 30C e UR de 50% é misturado com um fluxo de 10800m3/h de ar a uma temperatura de 20C e UR de 50%. Sabemos que quanto maior a temperatura do ar.h1 m 2. 16.até o limite de psat (que é a máxima pressão parcial do vapor possível para aquela dada temperatura). .h 2 46. kW kg kJ kJ . Este valor é obtido a partir da marcação da condição de entrada do ar na SRD na carta psicrométrica.2 m3/kg.18kW 3600 0. Calcule qual a capacidade da SRD se a condição de entrada foi de TBS = 30C e UR de 50% e a de saída foi de 20C e UR de 40%. maior esta pressão de vapor . mais umidade pode ser dissolvida nele. R. adequando-se às necessidades e disponibilidades da obra. A vazão do ar que atravessou a serpentina foi de 7200m3/h.878 Observe ainda as unidades envolvidas no balanço de energia envolvendo a SRD. Um balanço de energia em um volume de controle envolvendo a junção dos dois fluxos de ar fornece: m1. 15. Considere a densidade do ar como sendo 1. 6400 29 34. Observe que a condição do ar antes de atravessar a serpentina pode ser obtida na carta psicrométrica a partir dos dados de TBS e UR apresentados (Observe que h1 = 29kJ/kg).10.( 25 273.225 m3/kg. Desta forma: TBS3=23.(h 2 h1) 12 . 12 1. substituindo-se valores temos: h 1.(15.15kg 21.5kPa e de posse deste resultado estime qual a massa de ar existente em uma sala de aula fechada com largura de 15m.035.Um jato de ar a uma temperatura de 18C passa dentro de um duto não isolado . Considerando-se que o ar atmosférico na pressão dada comporta-se como um gásperfeito podemos utilizar a equação dos gases perfeitos (Clapeyron) para obter a densidade.51 Traçando-se uma linha reta ligando os pontos 1 e 2 e uma reta a partir da entalpia 3 calculada obtemos na intersecção o ponto 3 na carta psicrométrica. R.51kJ / kg q aquec m ar . Observar que a umidade absoluta da condição do ar na entrada é a mesma que a umidade absoluta do ar na saída.127. A equação para calcular a entalpia é: h 1.40) 81.007.45kJ / kg 19.TBS w .016 kgv/kga).40 0. calcule qual a TBS final e qual entalpia do ar na saída? Considere que a densidade do ar na entrada da serpentina é de 1. traçando uma reta horizontal partindo do ponto 1 e cruzando-a com a reta da entalpia calculada temos TBS2=19C.(h 2 29) h 2 2.V 1.2C. 18.127kg / m 3 Ra.177 3600 Na carta. 20 Calcule a densidade do ar atmosférico a T=25C e pressão de 96.( 2501 1.Calcule através da equação matemática.Uma vazão de 6400m3/h de ar atravessa uma serpentina elétrica que libera 12kW de potência de aquecimento.805.T 287. R.225.TBS ) Logo.805.016.( 2501 1.15) m . R.007. p 96500 1. comprimento de 10m e altura de 3m. a entalpia específica do ar que encontra se na temperatura de 40C e umidade absoluta de 16 g de vapor d’água por kg de ar seco (ou 0.3) 507. Se a temperatura de entrada do ar foi de 15C e UR de 50%. Considerando que não ocorra perda de calor para o meio externo temos: Q cedido Q recebido Q cedido m quente . haverá condensação.c. A solução deste problema geralmente é conseguida através do isolamento do duto. Nestas condições haverá condensação sobre o duto ? R. situa-se a temperatura de orvalho do ar externo. basta utilizar a carta psicrométrica. o que faz com que a condensação da umidade seja inevitável. verificar o ponto em que há cruzamento com a linha de saturação. se a temperatura do ar é resfriada abaixo deste valor.52 através de um ambiente a TBS de 32C e umidade relativa de 60%.(90 Tfinal ) 2. Conclusão: Haverá condensação sobre a face externa do duto porque a Temperatura da chapa é menor que a Temperatura de orvalho do ar externo.18kJ/kgC e 300K eqüivalem em outras unidades à: Sabemos que 1 TR eqüivale a 12. A temperatura encontrada neste caso é de cerca de 23C.c.(T final final ) Q recebido m frio T inicial corpo frio ) Logo temos que: 4. Neste exemplo a temperatura de orvalho é de 23C e a temperatura da face externa do duto é praticamente de 18C (não há isolamento e a condutividade da chapa é elevada).As grandezas 5 TR.(Tfinal 30) Aplicamos a propriedade distributiva e obtemos que: 360 4. qual será a temperatura do café depois da mistura? R.000Btu/h.c.15.Tfinal 60 6Tfinal 420 Tfinal 70 o C 23. O café frio de um copo com volume 2 litros. 4. .000Btu/h.Uma garrafa térmica contém 4 litros de café a uma temperatura de 90 C.Tfinal 2. Para resolver este tipo de questão. é despejado de volta na garrafa. ou seja. logo 5 TR eqüivale a 60.c. a 30 C. Já 1 kcal corresponde a 4. A conversão de Temperatura na escala Celsius para Kelvin se dá somando 273.(T inicial corpo quente T . Se a capacidade calorífica da garrafa for desprezível. Marcar o ponto referente à temperatura e umidade relativa do ar externo e traçando uma linha horizontal da direita para a esquerda.186kJ. 22. Neste ponto. Esta propriedade é muito importante. UR = 100*(pv/psat) 27. o que totalmente admissível para as condições normais de temperatura e pressão. A umidade relativa representa a relação entre a pressão parcial de vapor d´água presente no ar (pv) e a pressão de saturação do mesmo a uma mesma temperatura (psat). 25. Ou seja. pois a partir dela pode-se calcular as espessuras de isolamento adequadas para dutos. uma vez que a sensação de conforto térmico é subjetiva e percebida de forma diferente pelos indivíduos. A densidade do ar pode ser calculada através da hipótese de que este é um Gás perfeito. Ra a constante do ar (Ra = 287. tipo de vestimentas. e certa pressão de vapor. isolando-se a densidade na equação dos gases perfeitos tem-se: =p/(R. A temperatura na qual o vapor de água da atmosfera começa a condensar é conhecida como temperatura de orvalho do ar. Neste caso.Por que a temperatura do bulbo úmido é sempre inferior ou igual à temperatura de bulbo seco? R. Neste caso. 28.Por que conhecer a temperatura de orvalho é importante nos sistemas de climatização? R. câmaras frigoríficas e refrigeradores domésticos. e adicionando-se o máximo de vapor d’água fisicamente possível. pv. se o isolamento é ruim. TBS seria igual à TBU.Como podemos calcular com exatidão a densidade do ar? R. metabolismo. A norma brasileira recomenda para escritórios e residências temperaturas de 23 a 25 graus para temperaturas internas no verão. diz-se que o ar está saturado e adota-se esta condição para o cálculo da umidade relativa do mesmo. obtém-se o ar saturado na temperatura Ta e com pressão de saturação psat na temperatura (Ta). Por isso é importante a consulta às normas técnicas.53 24. Há além destas duas grandezas diversos fatores que influenciam esta sensação tais como velocidade do ar. Porque a quantidade de água que pode evaporar da mecha molhada do termômetro de bulbo úmido para o ar depende da quantidade de vapor d´água dissolvido no ar que passa pelo bulbo úmido.Quais são as temperaturas de bulbo seco e umidades relativas que proporcionam o conforto térmico a um universo maior de pessoas? R. não evaporará nenhuma quantidade de água da mecha para o ar e não haverá resfriamento no termômetro de bulbo úmido. p é a pressão atmosférica. temperatura das paredes do ambiente.T) onde. A umidade relativa recomendada é de 40 a 60%. haverá condensação do vapor d´água presente no ar sobre esta parede. O estudioso Fanger estudou os parâmetros que garantem o conforto térmico dos seres humanos na década de 70 e descobriu que uma dada condição do ambiente não é capaz de agradar a todos os usuários.035 J/kg K) e T é a temperatura do ar (em Kelvin). haverá uma temperatura superficial externa baixa da parede da câmara ou de um duto e desta forma. Se o mesmo já estiver saturado com umidade. Tomando-se o ar a uma dada temperatura. . 26.O que é pressão de saturação do ar e qual sua relação com a umidade relativa? A pressão de saturação ocorre quando tem-se o máximo possível de vapor d´água dissolvido no ar a uma dada temperatura. Ta. Desta forma. Fanger no entanto descobriu que há faixas de temperatura e de umidade relativas que agradam um percentual maior de usuários. Estes parâmetros dependem também da aplicação. p total p ar p vapor Na figura. a Lei de Dalton estabelece que: a) a pressão exercida por cada um dos gases da mistura é independente da presença de outros gases. se diversos gases ocupam o mesmo volume a uma dada temperatura.00737kg p =0 P= 1182 P a P= 1182 P a a v a s t AR S ECO + VAPOR D´ ÁGUA m = 1kg M = 0. sabe-se que um fluxo de massa de ar externo (1) m e =0.Analise a Lei de Dalton das pressões parciais e qual a aplicação desta na psicrometria? R.5kg/s.00737kg p = 100143 P a P= 1182 P a P= 101325 P a a v a s t m = 1kg m =0 p = 100143 P a p=0 p = 100143 P a a v a s t T= 20 C o T = 20 C o T = 20 C o 30. Calcule: a temperatura do ar de insuflamento a capacidade da serpentina de resfriamento e desumidificação a quantidade de água retirada pela serpentina de resfriamento e desumidificação . ilustra-se a lei de Dalton de maneira gráfica.54 29.7kg/s é misturado com outro fluxo de ar de retorno m r =4. b) a pressão total da mistura de gases é a soma das pressões parciais dos componentes.Dada a instalação a seguir. As condições do ar externo (E) ou ponto 1 são: TBS=32C e umidade relativa ()=60%. 2”): TBS=25C e =50%. Segundo a Lei de Dalton. Desta forma. Já o ar de retorno (2) apresenta as seguintes condições (iguais ao ar de exaustão. Para o caso do ar atmosférico. cada um considerado no mesmo volume e temperatura. a pressão total provocada por estes é a soma das pressões parciais de seus constituintes. Sabendo ainda que a carga térmica sensível ambiente q sensível =12kW e a carga térmica latente q latente =2kW. AR S ECO APENAS VAPOR D´ ÁGUA APENAS m = 0kg m = 0. a pressão total (ptotal) é igual à soma da pressão parcial do ar seco (par) com a pressão parcial do vapor d´água (pvapor) dissolvido no ar. 5 54. que diz que o ponto 3 está localizado sobre uma reta entre 1 e 2.7.2kg / s m11 .55 AR EXT ERNO 1 RET ORNO MIS URA T S ERPENT INA DE RES FRIAMENT E O DES UMIDIFICAÇÃO VENT ILADOR CARGA ÉRMICA T 3 4 2’ 2 AMBIENT E CLIMAT IZADO 2’‘ EXAUS ÃO T Solução.2 A entalpia do ponto 4 é calculada através de um balanço de energia no ambiente climatizado. m4 h4 qCT m2 h2 onde q CT é a carga térmica total recebida pelo ambiente.h2 ' m3 h3 h3 0.5 5.5 Fluxo de massa (kg/s) 0.5 5. .2 4.50.7 TBS 32 25 UR 60% 50% 50.5. m3 m1 m 2' m3 m 4 0. O primeiro passo é marcar os pontos conhecidos na carta psicrométrica e encontrar as propriedades: Ponto 1 2 3 4 2’ 2” Entalpia específica (kJ/kg) 79.5 50.79 4.3kJ / kg a 5.h1 m 2 ' .7 4.0 50.5 25 25 50% 50% O segundo passo é realizar um balanço de massa e energia na casa de mistura onde determinamos o fluxo de massa de entrada na serpentina de resfriamento ( m3 ) e a entalpia do ponto 3 através da lei da linha reta. 85 (definido como a carga térmica sensível sobre a carga térmica total) e traçar uma reta a partir do ponto 2 na carta psicrométrica.8 33.2 Com a entalpia 4 basta traçar a linha de fator de calor sensível na carta.8kJ / kg a m4 5.2.47. logo. Desta forma.85 encontrado no semicírculo interno localizado no canto superior esquerdo da carta.54.5 14 47.50. m 3 h3 q SRD m 4 h qSRD m3 h3 m4 h4 5.8C. w3 e w4 são encontrados na carta psicrométrica. A inclinação da reta é definida pelo valor 0. h3 1 h4 3 2 FCS qsen/qtotal = 4 T BS4 T 2 BS T 1 BS A capacidade da serpentina de resfriamento e desumidificação é calculada por um balanço de energia na serpentina da forma: (Lembre-se que a energia se conserva. m3 w3 m cond m4 w4 mcond m3 w3 m4 w4 m( w3 w4 ) Onde ma = 5.3 5. no cruzamento da linha do FCS e linha de entalpia 47. .9kW Da mesma forma calcula-se o fluxo de água retirada pela serpentina através do balanço de massa de água na serpentina. Para encontrar a temperatura de insuflamento (4) deve-se calcular o Fator de calor sensível = 12/14=0.8kJ/kg encontramos o ponto 4 que tem TBS4=22.2.2. a energia que entra com o fluxo de ar m3 h3 é igual a energia retirada pela serpentina q SRD mais a energia que sai com o fluxo de ar m 4 h4 .56 h4 m2 h2 qCT 5.2kg/s. 72 O custo inicial é calculado por: Custo inicial em R $ 600R $ x30 R $ 18.000 consumo ( W ) 51428W E. Considere que 1kW. O consumo em Watts destes equipamentos pode ser calculado através da equação para E.R de 7. O uso é de 8 horas por dia durante 260 dias por ano durante 10 anos de uso. .120 meses R $ 72. R $ / kWh O número de horas é de 8x260x10=20800h.h ).E. custo mensal de manutenção de R$ 20.R .000. custo mensal de manutenção de R$ 30.h custa R$ 0.428 x 20800 x 0. A capacidade de 30 TR corresponde à 30 x 12000 = 360 000 Btu/h. R.Compare a partir de análise de custos qual a solução mais econômica para uma instalação de ar condicionado entre as duas opções abaixo.E.00R$.R.00 por TR. Os mesmos cálculos podem ser realizados para os equipamentos splits obtendo-se: 387. a) sistema de ar de janela – E. 7. A capacidade é de 30TR.0 – custo inicial de R$ 600. O sistema pode ser de janela ou split.30 R $ 320.00 TR Somando-se os custos de manutenção.910.000.E.600.0 E. Desta forma: Gasto em R $ 51.30TR . Vamos calcular os custos de operação e iniciais para cada tipo de equipamento.0 – custo inicial de R$ 1000.00 mês Custo manutenção em R $ .00 por TR.30. Inicialmente considere os aparelhos de janela.910.: capacidade (Btu / h ) consumo ( W ) Logo temos que: capacidade (Btu / h ) 360. b) Sistema split – E.00 TR Já o custo de manutenção é calculado por: R $20.72 R$. de 9.R.número horas .E.E.57 31.00 por TR.R Observe que o gasto de energia elétrica ao longo dos 10 anos é calculado por: Gasto em R $ consumo (em kW.00 por TR. Analise as alternativas a partir dos custos iniciais e de operação. de energia elétrica e inicial temos: 410. As pressões de condensação (1008.5612 1.58 32.9kPa) podem ser encontradas nas tabelas de propriedades.13620 sv 1.574 hv 346.9 é aproximadamente 375kJ/kg. Calcule o Coeficiente de Performance. logo temos: . Considere o ponto 1 a saída do vapor saturado seco do evaporador e o ponto 3 como o ponto de saída do condensador.Considere um sistema de refrigeração padrão operando com fluido refrigerante R12 e com temperatura de condensação de 42 C e temperatura de evaporação de –12 C.252 367.9 1008. Já o ponto 2 está sobre uma linha isoentrópica partindo de 1 e sobre uma isobárica na pressão de condensação.825 Entropia [kJ/kg C] sl 0.69703 82.70 200 -20 100 1 EN TR O COP = Qe/Wc = 3. tais como temperaturas dos pontos 1 (-12 C pois o processo de evaporação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de vapor saturado seco).8kPa) e de evaporação (203.67 350 360 370 380 390 400 ENTALPIA ESPECÍFICA (kJ/kg) O valor de entalpia do ponto 2 obtida a partir da Figura 1.8 Entalpia [kJ/kg] hl 189.53996 Volume específico [l/kg] vl vv 0.80325 17. O preenchimento da mesma começa através dos itens mais conhecidos.2785 1000 800 600 40 C 30 20 10 0 -10 2 1.95910 1. 3 (42 C pois a condensação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de líquido saturado) e 4 (-12C porque o ponto está sobre uma isoterma na região de saturação). Resposta: É conveniente iniciarmos a solução de problema montando uma tabela que resume as principais propriedades do fluido ao longo do ciclo de refrigeração.001 240.60 J/k g (k PI A CO N ST AN TE o C) PRESSÃO (kPa) 400 1.0344 0. T [C] -12 42 p [kPa] 203. 001 0.32 x4 hv ( PE ) hl ( PE ) 346.001 onde as grandezas hl(PE) e hv(PE) correspondem à entalpia do líquido saturado e do vapor saturado respectivamente obtidos na pressão de evaporação.9 h (kJ/kg) 346.57 189.561 1.59 Ponto 1 2 3 4 T (C) -12 52 42 -12 P (kPa) 203.252 189. propriedade que define a quantidade de vapor está contido na mistura pode ser calculado por: h4 hl ( PE ) 240.57 s (kJ/KgC) 1.9 1008.561 1.8 1008.8 203.25 ~ 375 240.57 240. .129 s4 Título (%) 100 0 x4 Estado do fluido Vapor saturado seco Vapor superaquecido Líquido saturado Líquido e vapor Note que na tabela anterior. temos que o título do ponto 4. FERIADO RELIGIOSO (NOSSA SENHORA APARECIDA 15 .EXAME DE CLASSIFICAÇÃO 21 .FINAL DO 1º SEMESTRE 06 A 20 . PEDAGÓGICOS 25 .FERIADO (INDEPENDÊNCIA DO BRASIL) 12-EXAME MÉDICO ALUNOS ENSINO MÉDIO 25 DIAS LETIVOS OUTUBRO Seg Ter 2 9 16 23 30 3 10 17 24 31 4 11 18 25 Qua Qui Sex Sáb 1 5 12 19 26 6 13 20 27 7 14 21 28 8 15 22 29 12 .MATRÍCULA PARA ALUNOS NOVOS 22 .PUBLICAÇÃO RESULTADO DOS ENC.FERIADO (PROCLAMAÇÃO DA REPÚBLICA) 23 DIAS LETIVOS DEZEMBRO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 1 4 11 18 25 5 12 19 26 6 13 20 27 7 14 21 28 8 15 22 29 2 9 16 23 30 3 10 17 24 31 9 .DIA DO SERVIDOR PÚBLICO 28 .RECESSO (DIA DO SERVIDOR PÚBLICO) 15 .ENCONTROS PEDAGÓGICOS 23 .ENCONTROS PEDAGÓGICOS 18 E 19 .INÍCIO DO 2º SEMESTRE 2005 9 DIAS LETIVOS (2005-2) SETEMBRO Seg Ter 4 11 18 25 5 12 19 26 6 13 20 27 Qua Qui Sex Sáb 1 7 14 21 28 8 15 22 29 2 9 16 23 30 3 10 17 24 07 .FINAL DO 2º SEMESTRE (100 DIAS LETIVOS) 19 E 20 .60 CALENDÁRIO 2005 .DIA DO PROFESSOR 17 .VALIDAÇÃO DE COMPONENTE CURRICULAR 25 DIAS LETIVOS NOVEMBRO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 1 6 13 20 27 7 14 21 28 8 15 22 29 2 9 16 23 30 3 10 17 24 4 11 18 25 5 12 19 26 02 .ATUALIZADO AGOSTO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 1 7 14 21 28 8 15 22 29 2 9 16 23 30 3 10 17 24 31 4 11 18 25 5 12 19 26 6 13 20 27 05 .TRANCAMENTO DE MATRÍCULA (ÚLTIMO DIA) 28 .NATAL 18 DIAS LETIVOS .FÉRIAS ESCOLARES 16 E 17 .PLANEJAMENTO DE ENSINO 22 .FERIADO RELIGIOSO(FINADOS) 14 . 001 m³ 1 TR = 3517 W 12000 Btu/h = 1 TR* Calor específico da água = 4.1868 kJ 1 kW = 3413 Btu/h 1 litro (l) = 0.0254 m 1 H.61 Fatores de conversão úteis 1 lbf = 4. = 746 W = 2545 Btu/h 1 kcal/h = 1163 W 1 m = 100 cm 1 Btu = 1055 J 1 kcal = 4.186 kJ/kgC Calor específico do ar = 1.P.448 N 1 lbf/pol² (ou PSI) = 6895 Pa 1 pol = 0.0 kJ/kgC Densidade da água = 1000kg/m3 .