Stoecker and Jones - Refrigeração e Ar Condicionado

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<p>REFRIGERAÇÃO NA ÁREA: IANUAL DO AR COMPRIMIDO AR CONDICIONADO LEMENTOS DE SOLDAGEM E PNEUMÁTICA IANUAL DE MANUTENÇÃO MECÂNICA BÁSICA JANUAL DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO RANSFERÊNCIA DE CALOR DE TRANSPORTE DOS FLUIDOS Rafael WILBERT F STOECKER JEROLD W.JONES</p><p>PENTEADO 1999 REFRIGERAÇÃO E 4 AUTORIZADA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE DIREITOS DIREITO EDITORA AFILIADA</p><p>PPPN REFRIGERAÇÃO E AR W. F. Stoecker Professor de Engenharia Mecânica University of Illinois - Urbana - Champaign J. W. Jones Professor de Engenharia University of Texas - Austin Tradução José M. Saiz Jabardo, PhD - Poli-USP Euryale Zerbine - Poli-USP, IPT Silvio de Oliveira Júnior - Poli-USP, IPT Saburo Ikeda, MSC IPT MAKRON Books do Brasil Editora Ltda. Editora McGraw-Hill Lida. São Paulo Rua 1105, Itaim-Bibi CEP 04533-905 (011) 829-8604 e (011) 820-8528 Rio de Janeiro Lisboa Porto Bogotá Buenos Aires Guatemala Madrid México New York Panamá San Juan Santiago Auckland Hamburg Kuala Lumpur London Milan Montreal New Delhi Paris Singapore Sydney Tokyo Toronto</p><p>Do Original Refrigeration and Air Conditioning Copyright 1982, 1958 by McGraw-Hill, Inc. Copyright 1985 da Editora McGraw-Hill do Brasil, Ltda. Todos os direitos para a língua portuguesa reservados pela Editora McGraw-Hill do Brasil, Ltda. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida, guardada pelo sistema "retrieval" ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, seja este de fotocópia, de gravação, ou outros, sem prévia autorização, por escrito, da Editora. Editor: Milton Mira de Assumpção Filho Supervisora de Produção: Maria Celina Jurado Capa: Cyro Giordano Composição e Arte: Brasil Artes Gráficas Ltda. Prefácio XV CAPÍTULO 1 - APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO E DO AR CONDICIONADO 1-1 Principais aplicações 1 1-2 condicionado em edifícios de porte médio e grande 2 1-3 Ar condicionado industrial 3 1-4 Ar condicionado residencial 5 1-5 Ar condicionado em veículos 6 1-6 Armazenamento e distribuição de alimentos 7 CIP-Brasil. 1-7 Processamento de alimentos 9 Câmara Brasileira do Livro, SP 1-8 Indústrias químicas e de processos 10 1-9 Aplicações especiais da refrigeração 11 1-10 Conclusão 13 Stoecker, Wilbert F. Referências 14 S88r Refrigeração e ar condicionado / W. F. J. W. Jones ; tradução José M. Saiz Jabardo [et al.]. São Paulo : McGraw-Hill do Brasil, 1985. CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTOS DE E TRANSFERÊNCIA DE CALOR 15 Bibliografia. 2-1 Conceitos básicos de refrigeração e an condicionado 15 2-2 Conceitos, modelos e leis 15 1. Ar condicionado 2. Refrigeração I. Jones, Jerold 2-3 Propriedades termodinâmicas 16 2-4 Processos termodinâmicos 21 2-5 Conservação da massa 22 84-2046 -697.93 2-6 Equação da energia para regime permanente 23 2-7 Aquecimento e resfriamento 24 Indices para catálogo sistemático: 2-8 o processo adiabático 25 2-9 Trabalho de compressão 1. Ar condicionado : Engenharia 697.93 2-10 Compressão isoentrópica 25 2. Refrigeração : Engenharia 621.56 2-11 Equação de Bernoulli 26 2-12 Transferência de calor 28 IV y</p><p>2-13 Condução 28 2-14 Radiação 29 Componentes da carga térmica de resfriamento 79 30 -11 Carga resultante da geração interna de calor 79 Convecção 2-16 Resistência térmica Carga térmica de insolação através de superfícies transparentes 81 32 2-17 Seção transversal cilíndrica 37 4-13 Carga de insolação em superfícies opacas 87 2-18 Trocadores de calor 37 4-14 Resumo do procedimento para estimar a carga de refrigeração 89 Problemas 94 Os processos de transferência de calor no corpo humano 39 Referências 96 2-20 Metabolismo 40 2-21 Convecção 40 2-22 Radiação 41 2-23 Evaporação 41 CAPÍTULO 5 - SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR 97 Problemas 42 5-1 Sistema de distribuição térmica 97 44 5-2 Sistema zona simples clássico 97 Referências 5-3 Controle do externo 99 5-4 Projeto de um sistema zona simples 101 CAPÍTULO 3 PSICROMETRIA E DE CALOR COM SUPERFÍ CIE MOLHADA 45 5-5 Sistema de zonas múltiplas 104 45 5-6 Sistema com reaquecimento terminal 105 3.1 A importância 3-2 A carta psicrométrica 45 5-7 Sistema de duplo duto ou multizona 106 3.3 A linha de saturação 46 5-8 Sistemas com volume de ar variável 107 48 5-9 Sistemas de água 110 3.4 A umidade relativa 48 5-10 Sistemas unitários 111 3-5 A umidade absoluta 3-6 A entalpia 50 Problemas 112 3-7 volume Referências 113 51 3-8 Transferência simultânea de calor e massa; a lei da linha reta 53 3-9 Saturação adiabática e temperatura de bulbo úmido termodinâmica 53 3-10 Desvio entre as linhas isoentrópicas e as de temperatura de bulbo úmido cons- CAPÍTULO 6 DUTOS E VENTILADORES 114 tante 55 6-1 Circulando o 114 3-11 termômetro de bulbo úmido 55 6-2 Perda de carga em dutos retos 114 3-12 Processos 56 6-3 Perda de carga em dutos retangulares. 117 Comentário sobre a referência à unidade de massa do seco 59 6-4 perda de carga em 120 3-14 Transferência de calor sensível e latente em uma parede úmida 59 6-5 termo 121 3-15 Potêncial de entalpia 60 6-6 Expansão brusca 122 3-16 Conclusões a partir do potencial de entalpia 61 6-7 Contração brusca 123 Problemas 63 6-8 Curvas 125 Referências 64 6-9 Ramificações de extração 126 6-10 Ramificações de admissão 128 CAPÍTULO 4 CARGAS TÉRMICAS DE AQUECIMENTO E REFRIGERAÇÃO 65 6-11 Dimensionamento dos dutos 129 4.1 Introdução 65 6-12 o método da velocidade 129 4-2 Critérios de conforto e saúde 65 6-13 método de iguais perdas de carga 130 4-3 Conforto térmico 65 6-14 Otimização de sistemas de 131 4-4 Qualidade do an 67 6-15 Balanceamento do sistema 133 4-5 Estimativa das trocas térmicas 69 6-16 Ventiladores e suas características 133 Condições de projeto 71 6-17 Leis dos ventiladores 136 4-7 Transmissão térmica 73 6-18 Distribuição de at em recintos 138 4-8 Cargas de ventilação e de infiltração 74 6-19 Jatos circulares e planos 139 Resumo do procedimento para a estimativa das cargas térmicas de aquecimen- 6-20 Difusores e indução 140 to 78 Problemas 141 Referências 143 VI VII</p><p>CAPÍTULO 7 TUBULAÇÕES E BOMBAS 144 Mudança verão-inverno 199 7-1 Tubulações de água e de fluido refrigerante 144 9-18 Seleção e características das válvulas 200 7-2 Comparação da água com o ar como meio de transporte de energia 145 9-19 Estabilidade de um sistema de controle da temperatura do 203 7-3 Aquecedores de água 146 9-20 Reajuste da temperatura baseado na carga em zonas 203 7-4 Distribuição de calor dos sistemas de água quente 147 9-21 Controle elétrico, eletrônico e por computador 204 Sistemas de água a alta temperatura Problemas 205 149 Tubos disponíveis Referências 207 150 7-7 Perda de carga no escoamento de água em tubos 151 7-8 Perda de carga em acessórios de tubulação CAPÍTULO 10 CICLO DE COMPRESSÃO A VAPOR 208 152 7-9 Tubulação de refrigerante 152 10-1 ciclo de refrigeração mais importante 208 7-10 Características de bombas e sua escolha 156 10-2 ciclo de refrigeração de Carnot 208 7-11 Projeto do sistema de distribuição de água 10-3 Coeficiente de eficácia 210 158 7-12 Dimensionamento do tanque de expansão 10-4 Refrigerante 211 159 Problemas 161 10-5 Condições para um coeficiente de eficácia máximo 211 Referências 10-6 Limites de temperatura 212 162 Bomba de calor de Carnot 213 CAPÍTULO 8 SERPENTINAS RESFRIADORAS E DESUMIDIFICADORAS 10-8 uso do vapor como refrigerante 214 163 8-1 Tipos de resfriadores e desumidificadores de an 10-9 Modificações no ciclo de Carnot 215 163 8-2 Terminologia 10-10 Compressão úmida e seca 215 163 10-11 processo de expansão 216 8-3 Características do ar que escoa através do resfriador (processo ideal) 164 8-4 Transferência de calor e massa 10-12 Ciclo padrão de compressão a vapor 217 165 8-5 Cálculo da área da superfície de um resfriador 10-13 Propriedades dos refrigerantes 217 168 8-6 Remoção de umidade 10-14 Desempenho de um ciclo padrão de compressão a vapor 219 170 10-15 Trocadores de calor 222 8-7 Curva de estado real para uma serpentina 171 8-8 Determinação das condições de saída 10-16 ciclo real de compressão e vapor 224 172 Problemas 225 8-9 Serpentina parcialmente seca 173 Referências 226 8-10 Comportamento da serpentina a partir de catálogos de fabricantes 175 Problemas 177 Referências 178 CAPÍTULO 11 COMPRESSORES 227 11-1 Tipos de compressores 227 CAPÍTULO 9 CONTROLE EM AR CONDICIONADO 179 Parte I: Compressores alternativos 227 9-1 A função dos controles 179 11-2 Compressores herméticos 228 9-2 Controle pneumático, elétrico e eletrônico 180 11-3 Unidades condensadoras 229 Componentes do controle pneumático 181 11-4 Desempenho 229 9-4 Termostatos de ação direta e inversa 182 11-5 Eficiência volumétrica 230 9.5 Transdutor de temperatura com controlador 182 11-6 Desempenho de um compressor ideal 233 9-6 Válvulas para líquidos 183 11-7 Potência 233 9-7 Projeto de sistema prova de falha' (fail-safe) 186 11-8 Capacidade de refrigeração 234 9-8 Faixa de regulagem 186 11-9 Coeficiente de eficácia e vazão em volume por quilowatt de refrigeração 235 Registros 11-10 efeito da temperatura de condensação 236 188 9-10 Controle de ar externo 190 11-11 Desempenho de compressores alternativos reais 239 9-11 Proteção contra congelamento 191 11-12 Eficiência volumétrica efetiva 239 9-12 Operações 191 Eficiência de compressão 240 9-13 Outras válvulas, chaves e controles 11-14 Temperatura de descarga do compressor 242 193 9-14 Projeto de um sistema de controle 194 11-15 Controle de capacidade 242 9-15 Umidistatos e umidificadores 196 Parte II: Compressor parafuso 243 9-16 Termostato principal e secundário 197 11-16 Princípio de funcionamento 243 VIII IX</p><p>11-17 Características de desempenho de compressores parafuso 244 13-5 Determinação do comprimento de cada incremento 296 11-18 Controle de capacidade 246 13-6 Escoamento blocado 298 Parte III: Compressor de palhetas 246 Método gráfico para a seleção de tubos capilares 300 11-19 Compressores de palhetas 246 13-8 Válvula de expansão de pressão constante 302 Parte IV: Compressores centrifugos 248 Válvulas de bóia 303 11-20 o papel do compressor 248 13-10 Válvulas de expansão termostáticas (controladas por superaquecimento) 303 11-21 Funcionamento 248 13-11 Classificação das válvulas de expansão termostáticas segundo os fabricantes 306 11-22 Extração do gás obtido por reduções de pressão 248 13-12 Válvulas de expansão elétricas 308 11-23 Características de desempenho 249 13-13 Aplicações 309 11-24 Relação entre a velocidade periférica e a pressão 250 Problemas 309 11-25 Escolha do rotor e do refrigerante 252 Referências 310 11-26 Sobrepressão 252 11-27 Controle de capacidade 253 CAPÍTULO 14 ANÁLISE DO SISTEMA DE COMPRESSÃO A VAPOR 311 11-28 A fatia de mercado de cada compressor 254 14-1 Pontos de equilíbrio e simulação do sistema 311 Problemas 255 Referências 256 14-2 Compressor alternativo 312 14-3 Comportamento do condensador 314 CAPÍTULO 12 CONDENSADORES E EVAPORADORES 257 14-4 Simulação gráfica do subsistema da unidade de condensação 315 14-5 12-1 Condensadores e evaporadores como trocadores de calor 257 Simulação matemática do subsistema de condensação 317 14-6 Comportamento de evaporadores 318 12-2 Coeficiente global de transferência de calor 259 14-7 Simulação gráfica do comportamento do sistema completo 320 12-3 Escoamento de líquidos em tubos; transferência de calor e perda de carga 260 12-4 Escoamento de líquido na carcaça; transferência de calor e perda de carga 262 14-8 Simulação matemática do sistema completo 321 12-5 Superfícies estendidas; aletas 264 14-9 Algumas tendências de comportamento 322 Escoamento de gases sobre tubos aletados; transferência de calor e perda de 14-10 subsistema de expansão 322 268 14-11 Análise de sensibilidade 323 carga 324 12-7 Condensadores 269 Problemas 326 270 Referências 12-8 Capacidade de condensação necessária Coeficiente de transferência de calor por convecção na condensação 272 CAPÍTULO 15 REFRIGERANTES 327 12-10 Fator de encrustação 273 274 15-1 Refrigerantes primários e secundários 327 12-11 Desuperaquecimento 327 12-12 Projeto de um condensador 275 15-2 Compostos halocarbônicos 328 12-13 Gráficos de Wilson 278 15-3 Compostos inorgânicos 328 279 Hidrocarbonetos 12-14 Ar e gases não condensáveis 328 12-15 evaporadores 280 15-5 Azeotropos 328 15-6 12-16 Ebulição na carcaça 282 Comparação termodinâmica de alguns refrigerantes comuns 330 284 15-7 12-17 Ebulição dentro dos tubos Comparação física e química Condutibilidade térmica e viscosidade dos refrigerantes 331 12-18 Comportamento de evaporadores 284 331 284 Depleção de ozona 12-19 Perda de carga nos tubos 15-10 Bases de escolha de refrigerantes 331 12-20 Congelamento 285 333 286 15-11 Refrigerantes secundários Problemas 338 Problemas Referências 289 339 Referências CAPÍTULO 13 DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO 290 CAPÍTULO 16 SISTEMAS MULTIPRESSÃO 340 13-1 Finalidades e tipos 290 16-1 Sistemas multipressão em refrigeração industrial 340 13-2 Tubos capilares 290 293 16-2 Separador de líquido 340 13-3 Seleção de um tubo capilar 16-3 Resfriamento intermediário 342 13-4 Determinação da perda de pressão em um tubo capilar 293 16-4 Um evaporador um compressor 347 X</p><p>16-5 Dois evaporadores e um compressor 19 TORRES DE RESFRIAMENTO E CONDENSADORES EVAPORA 16-6 Dois compressores e um evaporador 347 TIVOS 401 16-7 Dois compressores e dois evaporadores 349 19-1 Rejeição de calor para a atmosfera 16-8 Equipamentos auxiliares 352 19-2 Torres de resfriamento 401 16-9 Compressores compostos 356 19-3 Análise da torre de resfriamento de contra-fluxo 403 16-10 Sistemas de recirculação de líquido 356 19-4 Integração por passos 404 16-11 Sumário 357 19-5 Testes de aceitação 408 Problemas 357 19-6 Previsão das condições de saída da torre 408 358 19-7 Estados do an através da torre de resfriamento 408 19-8 Torre de resfriamento de fluxo cruzado 410 CAPÍTULO 17 REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO 19-9 Condensadores evaporativos e resfriadores 413 361 17-1 Relação entre o ciclo de absorção e o de compressão a vapor 19-10 Quando usar uma torre de resfriamento e condensador evaporativo ou resfria- 17-2 o ciclo de absorção 361 dor 414 361 Problemas 415 17-3 Coeficiente de eficácia de um ciclo de absorção ideal 363 415 17-4 Propriedades de de soluções de Referências 17-5 Cálculos das vazões em massa nos ciclos de absorção 364 17-6 Entalpia de soluções de LiBr 366 CAPÍTULO 20 ENERGIA SOLAR 416 17-7 Análise térmica de sistemas de absorção simples 368 20-1 Alguns campos da energia solar 416 17-8 Ciclo de absorção com trocador de calor 369 20-2 Intensidade de radiação: uma visão geral 417 17-9 Configuração de unidades de absorção comerciais 370 20-3 Geometria solar 417 17-10 Cristalização 372 20-4 Fluxo de radiação direta do sol, IDN 421 17-11 Controle de capacidade 373 20-5 Características do envidraçamento 422 17-12 Sistema de duplo efeito 375 20-6 Coletores solares 422 17-13 Combinação com sistema de compressão de vapor em sistemas operados com 377 20-7 Armazenamento de energia 428 vapor 20-8 Integração dos sistemas solar e da habitação 430 17-14 379 433 20-9 Projeto solar passivo 17-15 papel de unidades de absorção na prática de refrigeração 381 436 20-10 Economia das Instalações solares Problemas 382 437 Problemas Referências 383 438 Referências 385 CAPÍTULO 21 E CONTROLE DE RUÍDO 439 CAPÍTULO 18 BOMBAS DE CALOR 439 21-1 o estudo do som e da acústica 18-1 Tipos de bombas de calor 386 440 21-2 Ondas acústicas unidimensionais 18-2 Tipo compacto com ciclo reversível 386 441 21-3 Ondas estacionárias 18-3 Fontes e sumidouros de calor para bombas de calor reversíveis do tipo com- 386 442 21-4 Energia de uma onda sonora 442 pacta 21-5 Intensidade, potência e pressão 18-4 Desempenho da bomba de calor com como fonte de calor durante o aqueci- 388 444 21-6 Nível de potência e pressão mento 21-7 Nível de intensidade e nível de pressao sonora 444 18-5 Custos comparativos de aquecimento 389 445 21-8 Espectro sonoro 18-6 Equiparando a capacidade de aquecimento à carga de aquecimento 390 21-9 Combinação de fontes sonoras 445 18-7 Dimensionando a bomba de calor 392 448 21-10 Absorvidade 18-8 Bomba de calor descentralizada 392 21-11 Características do recinto 449 18-9 Condensador com feixe duplo 393 21-12 Projeto acústico de edifícios 451 18-10 Bombas de calor industriais 394 21-13 Transmissão de ruído de ventiladores e do an em dutos 452 18-11 futuro da bomba de calor 397 452 21-14 Conclusões Problemas 398 453 Problemas 399 Referências 454 400 XII XIII</p><p>APÊNDICE 455 Tabela A-1 Água: Propriedades do líquido e do vapor saturados 455 Tabela A-2 Ar úmido Propriedades termodinâmicas do ar saturado à pressão atmos- férica 457 Tabela A-3 Amônia: Propriedades do líquido e vapor saturados 459 Tabela A-4 Refrigerante 11: propriedades do líquido e vapor saturados 461 Tabela A-5 Refrigerante 12: propriedades do líquido e vapor saturados 463 Tabela A-6 Refrigerante 22: propriedades do líquido e vapor saturados 465 Tabela A-7 Refrigerante 22: propriedades do vapor superaquecido 467 Tabela A-8 Refrigerante 502 propriedades do líquido e vapor saturados 470 Figura A-1 Diagrama pressão-entalpia do vapor de amônia superaquecido 472 Figura A-2 Diagrama pressão-entalpia do vapor de refrigerante 11 superaquecido 473 Figura A-3 Diagrama pressão-entalpia do vapor de refrigerante 12 superaquecido 474 Figura A-4 Diagrama pressão-entalpia do vapor de refrigerante 22 superaquecido 475 Figura A-5 Diagrama pressão-entalpia do vapor de refrigerante 502 superaquecido 476 Existe um motivo convencional e um especial para esta segunda edição de Refrigeração e Referências 477 Ar O motivo convencional é que em 24 anos, desde o aparecimento da primeira edição, alguns dos equipamentos e passaram a ter uma importância secundária devido Indice Analítico 478 ao surgimento de novos produtos e conceitos. motivo especial para a nova edição é o impacto que a eficiência energética exerce atualmente sobre sistemas de aquecimento e resfriamento. A consciência do problema energético mudou de forma os equipamentos e conceitos de projeto em refrigeração e ar condicionado. Além disso, a maioria dos engenheiros prevê que os dias de energia barata não irão retornar, e portanto as preocupações de conservação de ener- gia devem agora ser permanentes. Esta segunda edição difere da primeira principalmente porque nesta é feita uma apresen- tação mais detalhada sobre sistemas de condicionado, enquanto a técnica sobre siste- mas de compressão de vapor não só foi mantida como reforçada. material novo que trata de ar condicionado em edificações substitui vários capítulos (criogenia, jato de vapor e ciclos de ar) que são de importância reconhecida, mas a engenharia destes sistemas na prática profissio- nal é normalmente exercida por engenheiros que não são da área de conforto térmico, refrige- ração e condicionado industrial. computador digital é hoje uma ferramenta importante para os engenheiros, e este recurso é utilizado em alguns cálculos e problemas. Algumas seções e particularmente as características da primeira edição foram mantidas. A edição anterior atingiu aceitação mundial, satisfazendo aparentemente as necessidades daque- les que procuram um livro técnico que, além das descrições, trate os assuntos quantitativamen- te. Esta edição procura manter a ênfase sobre avaliações qualitativas e tendências, sem introdu- zir complexidades adicionais, a menos que haja a compensação de uma melhor compreensão do assunto. Os autores são gratos a numerosos profissionais do setor cujas opiniões influenciaram na seleção de tópicos, enfases e na apresentação técnica deste livro. Em especial, agradecemos aos seguintes colegas: Lanny G. Berglund, da Fundação John B. Pierce; John C. Chato e Arthur M. Clausing, da Universidade de Illinois em Urbana; James E. Shahan, da Transco Inc.; Gary C. Vliet, da Universidade do Texas em Austin; e James F. Woods, da Universidade de Iowa. W. Stoecker J. W. Jones XV XIV</p><p>CAPÍTULO 1 APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO E DO AR CONDICIONADO 1-1 Principais Aplicações As áreas de refrigeração e ar condicionado são correlatas, embora cada uma tenha seu campo específico de atuação, como se mostra esquematicamente na Fig. 1-1. A aplicação mais disseminada da refrigeração é, sem dúvida alguma, o ar condicionado, embora outras áreas podem ser citadas, tais como refrigeração industrial, que inclui o processamento e a conserva- ção de alimentos, a remoção de calor de substâncias em indústrias químicas, de petróleo e petroquímicas e, muitas outras em indústrias de construção e manufatura. A exem- plo da refrigeração, ar condicionado encontra aplicações outras distintas do simples resfria- mento. Ar condicionado de conforto é definido* como o processo de condicionamento de ar objetivando o controle de sua temperatura, umidade, pureza e distribuição no sentido de pro- porcionar conforto aos ocupantes do recinto condicionado. Assim, condicionamento de ar inclui processos, tais como, aquecimento (o qual inclusive não envolve refrigeração, exceto em aplicações de bombas de calor), radiação térmica e regulagem de velocidade e qualidade do ar, incluindo a remoção de partículas e vapores. Os engenheiros podem atuar tanto na pesquisa, desenvolvimento e aplicação de equipa- mentos de utilização na área, como no projeto de sistemas que utilizem esses equipamentos. Embora não hajam barreiras para o deslocamento de engenheiros entre as distintas áreas mos- tradas na Fig. 1-1, a atuação das firmas comerciais e, portanto, de seus engenheiros, tende a se concentrar quer na área de ar condicionado quer na de refrigeração industrial. As tempera- turas das aplicações da refrigeração industrial podem atingir valores até -60°C. Temperaturas inferiores correspondem a criogênicas como as industriais, de gás industrial (separa- ção do nitrogênio e oxigênio do ar) e de gás natural liquefeito, e a obtenção de temperaturas próximas do zero absoluto. As referências numeradas são apresentadas ao final de cada capítulo.</p><p>2 Refrigeração e Condicionado Aplicações da Refrigeração e do Ar Condicionado 3 Este capítulo tem por objetivo mostrar a diversidade de aplicações da refrigeração e do an condicionado. Algumas das aplicações de condicionamento de ar, que serão descritas. envol- vem edifícios de porte médio e grande, indústrias, residências e veículos. Na área de refrigeração serão descritas aplicações nas indústrias de alimentos e de processamento térmico. Embora a capacidade associada a aplicações especiais de refrigeração seja pequena comparada à do condi- cionamento de ou da refrigeração de alimentos, essas aplicações constituem-se, não raro, em um desafio técnico. 1-2 Ar Condicionado em de Porte Médio e Grande A maioria das unidades de condicionamento de ar estão associadas a aplicações de confor- to. Sistemas para resfriamento de an durante o verão tornaram-se obrigatórios em edifícios de grande porte no mundo inteiro. Mesmo em regioes onde as temperaturas de verão não sejam elevadas, edifícios grandes devem ser resfriados para compensar o calor liberado por pessoas, luzes e outros aparelhos elétricos. Em regiões de temperaturas de verão elevadas, o resfriamento do an pode contribuir, por exemplo, para o aumento da efetividade no trabalho. Em edifícios de grande porte são normalmente utilizados sistemas centrais, que podem se constituir de uma central de resfriamento e outra de aquecimento de água (conhecida como caldeira) localizadas em uma sala de máquinas. Os recintos condicionados podem ser servidos por um ou mais siste- Figura 1-2 Uma unidade de instalação em telhado. (Lennox Inc.) mas de fornecimento e de retorno de ar, como exposto no Cap. 5, ou por trocadores de calor localizados no próprio recinto, aos quais se fornece água quente ou fria. normas que impoem ventilação com 100% de externo, além de limitar o valor mínimo da umidade para evitar a ocorrência de eletricidade em salas de operação. Tais exigências Ar condicionado Refrigeração aliadas à necessidade de um sistema eficiente em termos de conservação de energia representam um verdadeiro desafio técnico. Refrigeração Aquecimento, Operações de industrial, 1-3 Ar Condicionado Industrial umidificação refrigeração e incluindo indústrias e controle da desumidificação em de preservação qualidade do ar condicionado alimentos, químicos O termo ur condicionado industrial utilizado neste texto refere-se tanto ao tratamento do e de processos. an para propiciar condições mínimas de conforto a trabalhadores em ambientes insalubres, como ao controle das condições do em um determinado processo industrial. Aquecimento Localizado Figura Relação entre as áreas de refrigeração e de condiconamento de Durante o inverno pode ser mais interessante aquecer uma região onde se loca- liza Tal aquecimento pode ser conseguido através de um aquecedor que irradia uma determinada área quando aquecido por um queimador ou eletricamente. Em edifícios comerciais ou industriais de um único andar, unidades de instalação no telhado (Fig. 1-2) podem ser utilizadas* A unidade da Fig. 1-2 é uma bomba de calor (ver Resfriamento Localizado Capítulo 18), que pode proporcionar tanto refrigeração quanto aquecimento. resfriamento em uma siderúrgica pode ser impraticável, mas condições razoáveis podem Uma aplicação importante do condicionado é em e edifícios correlatos, que ser mantidas na região de trabalho dirigindo-se correntes de ar frio para as zonas ocupadas. exigem condições especiais não encontradas em Assim, são comuns Ambientais () papel do condicionado em laboratórios ambientais pode desde a manutenção de uma temperatura de -40°C para teste de motores a baixa temperatura, até a altas tempera- NT. Esse tipo de unidade não foi muito disseminado no Brasil até o momento. turas e umidades para estudo do comportamento de animais7 em climas tropicais.</p><p>4 Refrigeração e Ar Condicionado Aplicações da Refrigeração e do Ar Condicionado 5 Imprensa Produtos Fotográficos controle da umidade é a principal razão para o uso do ar condicionado em instalações impressoras. Em alguns processos, o papel passa por sucessivas impressões de modo que o ar A indústria de produtos fotográficos é uma grande usuária de ar condicionado e refrige- condicionado deve ser mantido para garantir um registro apropriado. Outros problemas causa- Material fotográfico virgem se deteriora rapidamente a altas temperaturas e dos por umidade excessiva são: a eletricidade estática, a danificação do papel e o tempo excessi- Outros materiais, tais como aqueles utilizados no revestimento de filmes, exigem controle rigo- para secagem da tinta. roso da temperatura. Salas de computador Como o papel, o tecido é muito sensível a variações da umidade e, até certo grau, também da temperatura. fio (filamento) move-se a altas velocidades nas máquinas de transformação o objetivo do condicionamento do ar em salas de computador é o de controlar a tempe- das modernas indústrias de modo que variações de flexibilidade e resistência do fio, ratura, a umidade e a limpeza do ar. Alguns componentes eletrônicos do computador operam além da produção de eletricidade estática, devem ser evitadas. erraticamente quando se aquecem, de modo que a temperatura da sala deve ser mantida entre 20 e 23°C para que a temperatura desses componentes seja adequada. Na realidade a tempera- Processos de Alta Precisão e Salas Limpas* tura ótima de operação dos componentes eletrônicos deveria ser ainda menor. Entretanto, faixa proposta acima deve satisfazer as exigências de conforto dos operadores. A faixa de umi- No processo de fabricação de componentes metálicos com tolerâncias muito estreitas, o dade relativa recomendável é de 30 a uma vez que umidades elevadas podem acarretar condicionamento do tem três objetivos principais: manter a temperatura uniforme para evitar uma alimentação de cartões deficiente, ao passo que umidades baixas podem provocar estática expansões e contrações do metal, manter um nível adequado de umidade para evitar a formação entre os cartões. Para armazenamento de fitas por períodos longos exigem-se temperaturas uni- de ferrugem e manter a filtragem do para minimizar a quantidade de partículas sólidas no formes. A filtragem cuidadosa do ar deve ser feita para propiciar uma operação com um mínimo recinto. Uma tecnologia para salas limpas8 (Fig. foi desenvolvida como resultado das exi- de manutenção de equipamentos como impressoras, acionadores de fitas e leitoras de cartões. gências de projeto e construção de ambientes para fabricação de componentes eletrônicos e outros materiais. Usinas Geradoras de Potência Condições toleráveis pelos operadores de usinas geradoras de potência têm sido tradicio- nalmente mantidas simplesmente por ventilação. Como resultado da construção cada vez mais compacta além do contínuo aumento das taxas de calor o espaço exigido por um sistema de dutos para a ventilação adequada tornou-se impraticável. Assim, nas usinas moder- nas, os dutos de ventilação foram substituídos por tubos que alimentam de água fria as serpen- tinas de refrigeração nos distintos espaços confinados. 1-4 Ar Condicionado Residencial Cinco milhões de condicionadores de ar são vendidos por ano nos Estados Unidos da América, sendo a maioria deles residenciais. Esses condicionadores são do tipo que serve um só recinto. Outro tipo, denominado sistema unitário ou central, também usado em residências, consiste de uma unidade condensadora, com compressor e condensador, localizada externamen- te ao edifício e o evaporador no duto de ar interno. As vendas anuais desse tipo de condiciona- dor somam entre 3 e 5 milhões de unidades. Nas últimas décadas tem havido uma migração da população americana para os estados do sul dos Estados Unidos, no denominado do Líderes da indústria de an condicio- nado afirmam que tal deslocamento populacional não teria ocorrido não fosse o uso generali zado do condicionamento do em residências e nos locais de trabalho, negócios e lazer. Figura 1-3 Uma sala limpa. (Weber Technical Products, da Walter Kidde & Inc.) NT. o termo limpas" é uma tradução literal do conhecido termo, em inglês, clean NT. Evidentemente, o autor refere-se a termoelétricas, de pouco uso no Brasil até o presente,</p><p>Aplicações e do 6 Refrigeração e Condicionado 1-6 Armazenamente e Distribuição de Alimentos Outro sistema que tem apresentado um significativo crescimento em importância é a bomba de calor residencial. Ela apareceu na década de 50 com previsoes de que tornaria os tempo de armazenamento de alimentos perecíveis, tais como carnes, frutas e vegetais, equipamentos concorrentes obsoletos. Essas previsões otimistas, entretanto, não se concretiza- pode ser prolongado por meio da refrigeração. Frutas, vegetais e produtos industrializados de ram principalmente em razão do elevado índice de falhas mecânicas apresentado por esse equi- como os frios, são armazenados a temperaturas muito próximas do ponto de congela- pamento naquela época. A melhora na qualidade do projeto e da fabricação proporcionou o Algumas qualidades de carne, peixe, vegetais e mesmo as frutas podem ser congeladas, ressurgimento das bombas de calor no início da década de 80, com vendas anuais nos Estados permitindo o seu armazenamento a baixas temperaturas por meses até que sejam descongelados Unidos entre 0,5 e 1 milhao de unidades. para seu uso pelo consumidor. 1-5 Ar Condicionado em ciclo de um alimento congelado consiste das seguintes etapas: congelamento, armazena- mento em refrigeradas, comercialização e finalmente armazenamento em um congela- o veículo em que o condicionamento de an está mais difundido é o para o dor doméstico (freezer) ou no congelador de uma geladeira. qual são vendidos anualmente entre 5 a 10 milhões de Outros entretanto, recebem condicionamento de ar, contando-se entre eles ônibus, trens, caminhões (veja Fig. Congelamento 1-4), veículos para recreação, tratores, cabines de pontes rolantes, aviões e navios. principal responsável pela carga térmica na maioria dessas aplicações é a radiação solar e, no caso de trans- As primeiras tentativas de congelamento de alimentos esbarraram com a formação de cris- porte público, o calor liberado pelas pessoas. As cargas são caracterizadas por variações rápidas tais de gelo na região congelada, problema que foi posteriormente resolvido por meio da conge- e por uma intensidade por unidade de volume elevada quando comparada com valores corres- lação rápida. Entre os processos de podem ser citados o do congelamento por pondentes em edifícios. jato de ar, em que o a aproximadamente -30°C é soprado a alta velocidade sobre pacotes de alimento empilhados em estrados; o do congelamento por contato, em que o alimento é coloca- do entre placas metálicas; o do congelamento por imersão, em que o alimento é introduzido em uma salmoura a baixa temperatura; o do congelamento em leito fluidizado, em que individuais de alimento são transportadas por uma esteira'e mantidas em suspensão por uma corrente de ar frio (Fig. 1-5); e do congelamento por meio de uma substância criogênica como 0 nitrogênio ou 0 dióxido de carbono. Figura 1-4 Um condicionador de de (Kyson Manufacturing Co.) NT. Novamente esses dados referem-se aos Estados Unidos, onde o condicionamento de em automóveis Figura 1-5 Congelamento em uma esteira de leito fluidizado. (Lewis Refrigeration Company.) generalizado. No Brasil esses números devem ser reduzidos drasticamente.</p><p>8 Refrigeração e Condicionado Aplicações Refrigeração e do Ar Condicionado Na outra extremidade do ciclo do alimento congelado, o consumidor o armazena em uma geladeira ou congelador (freezer) até que seja retirado para Nos Estados Unidos, 5 milhões de refrigeradores são vendidos por ano. Durante muitos anos, neste país o estilo e custo inicial foram os principais fatores no projeto e manufatura de refrigeradores domésticos. A necessidade de conservar mudou entretanto os critérios de projeto, trazendo de volta o desafio para o engenheiro no projeto desses equipamentos. 1-7 Processamento de Alimentos Alguns alimentos requerem algum processamento antes de serem congelados e armazena- dos em frigoríficas. Esses processos também exigem refrigeração. Os principais produtos derivados do leite são manteiga, sorvetes, queijos etc. No processo de pasteurização inicialmente o leite deve ser aquecido até uma temperatura de aproximada- mente 73°C, a qual deve ser mantida durante 20s. A seguir o leite deve ser resfriado até uma temperatura final de 3 a 4°C para Na produção do os componentes devem inicialmente ser pasteurizados e a seguir cuidadosamente misturados. Posteriormente a mistura deve ser resfriada até 6°C, sendo, entao, introduzida no congelador. Neste, a tempera- tura é reduzida até -5°C, quando a mistura torna-se pastosa, mantendo, porém, a fluidez, o que permite que seja introduzida em um recipiente. Daí em diante o sorvete é armazenado em ambientes a temperaturas abaixo do ponto de congelamento. Existe uma grande variedade de queijos, cada uma obtida por um processo particular. Entretanto, o procedimento básico de obtenção do queijo consiste em aumentar a temperatura do leite até 30°C aproximadamente, quando então são adicionadas algumas substâncias, entre as quais os coalhantes (em alguns casos é utilizada a renina). Parte da mistura solidifica-se for- Figura 1-6 Um depósito (International Association of Refrigerated Warehouse.) mando o coalho. líquido em excesso (soro) deve ser posteriormente removido. Segue-se um período de cura, em ambientes refrigerados para a maioria dos queijos, quando a temperatura é mantida a aproximadamente 10°C. Armazenamento Bebidas As frutas e verduras devem ser congeladas logo após a colheita, e a carne imediatamente Na produção de sucos concentrados de frutas, cerveja e vinho, a refrigeração é um elemen- após o corte para que a qualidade seja mantida. Transportados em caminhões ou trens, os ali- to essencial. Em alguns casos o gosto pode ser até melhorado, servindo-se as bebidas frias. mentos congelados devem ser armazenados em com temperaturas internas variando entre -20 e -23°C, onde permanecerão por meses. A qualidade do peixe pode ser mantida Os sucos são muito populares em virtude de suas qualidades e do custo razoável. É muito desde que seja armazenado a temperaturas inferiores às sugeridas acima. mais fácil concentrar o suco em lugares próximos à região de colheita e transportá-lo no estado congelado do que transportar a fruta in natura. Para que o suco conserve o sabor da fruta a água Distribuição deve ser removida a baixas temperaturas, o que requer um processo a pressões bem abaixo da atmosférica. Das câmaras de armazenamento dos alimentos congelados são transportados a mercados Na produção da cerveja, a refrigeração controla o processo de fermentação e permite a para a comercialização. Nos mercados, os alimentos são expostos em balcões frigoríficos com preservação dos produtos intermediários e finais. Um processo importante na produção de temperaturas variando entre 3 e 5°C ou seja, para frutas não congeladas e latícinios, e -20°C álcool é a fermentação que é uma reação exotérmica. Na produção da cerveja, a fermentação para alimentos congelados e sorvetes. Nos Estados Unidos são vendidos 100.000 balcoes frigo- deve ser realizada a uma temperatura variando entre 8 a 12°C, mantida através de refrigeração por ano. A seguir deve ser armazenada e engarrafada em ambiente refrigerado (Fig. 1-7).</p><p>Aplicações Refrigeração e Ar Condicionado elas: (1) a separação de gases, (2) a condensação de gases, (3) a de uma espécie para separá-la de uma mistura, (4) a manutenção de uma temperatura baixa em um líquido armaze- nado para evitar que sua evaporação eleve excessivamente a pressão, e (5) a remoção do calor de reação. Uma mistura de hicrocarbonetos gasosos pode ser separada pelo resfriamento, de modo que a espécie com maior temperatura de ebulição se condense podendo ser separada das outras espécies. Em algumas petroquímicas (Fig. 1-8) hidrocarbonetos, como o propano, são utiliza- dos como refrigerantes, uma vez que eles são de baixo custo e a instalação é adequada ao pro- cessamento de substâncias altamente inflamáveis. Em outros casos, unidades de refrigeração externas, como a unidade compacta mostrada na Fig. 1-9, são utilizadas para a refrigeração do processo. 1-9 Aplicações Especiais da Refrigeração Outras aplicações da refrigeração e do condicionado envolvem tamanhos e capacidades que variam desde pequenas unidades até grandes unidades de escala industrial. Bebedouros Pequenas unidades de refrigeração são utilizadas para resfriar a água destinada ao consu- Desumidificadores Alguns desumidificadores de em residências e edifícios consistem de uma unidade de Figura 1-7 A refrigeração é essencial em cervejarias. (Anheuser Busch Company, Inc.) refrigeração na qual o an não só tem a sua umidade reduzida como também é A seguir o an é passado pelo condensador da unidade de refrigeração e insuflado no recinto. A razão pela qual produtos de panificação devam ser refrigerados é o equilíbrio entre pro- Produtores de Gelo dução e demanda, a fim de reduzir a quantidade de perdas. Alguns pães e biscoitos são congela- logo após a fabricação para propiciar um tempo maior de armazenamento antes da comer- gelo pode ser produzido em refrigeradores domésticos, em produtores de gelo de restau- Atualmente é muito comum a preparação de massa e o seu congelamento posterior rantes e hotéis e em grandes unidades industriais em indústrias de alimentos e em indústrias para uso futuro. Tal procedimento pode ser bastante econômico, principalmente quando a químicas. produção é elevada, uma vez que as características dos o aroma, por exemplo, são preser- vadas. Pistas de Patinação Alguns produtos biológicos e alimentares podem ser conservados pela secagem por conge- As pistas de patinação são montadas pelo congelamento da água através da refrigeração lamento, que consiste em congelar o produto e remover a água por sublimação (passagem dire- feita por meio de tubos pelos quais circula um refrigerante ou uma salmoura, e instalados em ta do estado sólido para vapor). processo é realizado no vácuo com aquecimento que fornece meio a areia ou serragem sobre a qual se derrama a água. o calor de sublimação. Alguns fabricantes de café solúvel utilizam esse procedimento. Construção 1-8 Indústrias e de Processos Escavações são em alguns casos facilitadas pelo congelamento do solo. Uma aplicação impor- tante de refrigeração na indústria da construção é o resfriamento de grandes massas de con- Sao consideradas indústrias químicas e de processos aquelas que produzem produtos (a reação que ocorre durante a cura do concreto é exotérmica e, portanto, o calor deve químicos, papel e celulose, as refinarias de petróleo, as etc. As aplicações de ser removido para evitar a expansão e o aparecimento de no concreto). concreto pode refrigeração nessas indústrias são altamente especializadas e de custo elevado, contando-se entre</p><p>14 Refrigeração e Ar Condicionado REFERÊNCIAS 1. "ASHRAE Handbook, Fundamentals Volume," American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, Ga., 1981. 2. G. Haselden: "Cryogenic Fundamentals," Academic, New York, 1971. 3. H. H. Stroeh e J. E. Woods: Development of a Hospital Energy Management Index, ASHRAE Trans. CAPÍTULO 2 vol. 84, pg. 2, 4. J. E. Janssen: Field Evaluation of High Temperature Infrared Space Heating Systems, ASHRAE Trans., vol. 82, pt. 1, pg. 31-37, 1976. 5. Environmental Control in Industrial Plants, Symp. ASHRAE vol. 85, pt. 1, pg. 307- FUNDAMENTOS DE E TRANSFERÊNCIA DE CALOR 6. Environmental Control for the Research Laboratory, Symp. AT-78-3, ASHRAE vol. 84, pt. 1, pg. 1978. 7. Environmental Considerations for Laboratory Animals, Symp. BO-75-8, ASHRAE 81, pt. 2, 1975. 8. Clean Rooms, ASHRAE Symp. DE-67-3, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Con- ditioning Engineers, Atlanta, Ga., 1967. 9. D. W. Ruth: Simulation Modeling of Automobile Comfort Cooling Requeriments, ASHRAE J., vol. 17, no. 5, pg. 53-55, maio, 10. "Handbook and Product Directory, Applications Volume," Cap. 25, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, Ga., 1978. What's Up with Watts Down on Refrigerators and Air Conditioners, Symp CH-77-13, ASHRAE 2-1 Conceitos Básicos de Refrigeração e Ar Condicionado vol. 83, pt. 1, pg. 793-838, 1977. 12. "Handbook and Product Directory, Applications Volume," Cap. 31, American Society of Heating, Um curso de Refrigeração e Ar Condicionado envolve conceitos e aplicações de Termodi- Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, Ga., 13. e Transferência de Calor. Assim, é interessante iniciar este texto fazendo uma revisão R. N. Shreve and J. A. Jr.: "Chemical Process Industries," ed., McGraw-Hill, New York, daquelas disciplinas, apresentando alguns dos conceitos básicos importantes no projeto e na "Handbook and Product Directory, Applications Volume," Cap. 55, American Society of Heating, análise de sistemas térmicos em edifícios e indústrias. A apresentação desses conceitos visa a Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, Ga., 1978. um objetivo específico, sem a pretensão de um maior aprofundamento na matéria. Leitores 15. E. Casanova: Concrete Cooling on Dam Construction for World's Largest Hydroelectric Power Station, interessados poderão consultar textos básicos sobre o Sulzer Tech. vol. no. 1, pg. 3-19, 16. W. E. Johnson: Survey of Desalination by Freezing-Its Status and Potential, Nath Water Supply Este capítulo abordará o tema de uma forma que será repetida nos capítulos posteriores. improv. Assoc. J., vol. 4, no. 2, pg. 1-14, julho 1977. procedimento consiste na identificação dos elementos essenciais de um projeto ou processo, na utilização de simplificação e hipóteses com o objetivo de modelar o sistema a ser analisado ou projetado, e das leis físicas apropriadas para a obtenção do resultado desejado. 2-2 Conceitos, Modelos e Leis Termodinámica e transferência de calor desenvolveram-se a partir de uma série de concei- tos, baseados em observações do mundo físico, e leis necessárias na solução de problemas e pro- jeto de sistemas. A engenharia desenvolveu-se a partir de dois conceitos básicos: massa e energia. Embora esses conceitos façam parte do nosso dia a dia e sejam essenciais na descrição do mundo físico em que vivemos, é apresentar uma definição concisa deles. mundo físico é muito complexo e, como tal, é muito difícil descrevê-lo precisamente. Mesmo que tal descrição fosse possível, ela seria de pouca utilidade para aplicações de engenha- ria, dada sua complexidade. Uma das conquistas mais importantes na engenharia foi o desen- volvimento de modelos dos fenômenos físicos, que, embora com aproximações, fornecem descrições suficientemente precisas e meios viáveis de obter soluções. modelo de Newton para a relação entre força e aceleração é um exemplo interessante. Embora não possa ser universal- Até 1981 todo o material da ASHRAE era publicado em New York; o endereço atual é fornecido para os mente utilizado, ele é extremamente preciso e útil na sua faixa de aplicação. eventuais leitores 15</p><p>12 Refrigeração e Ar Condicionado Aplicações da Refrigeração e do Ar Condicionado 13 ser obtido pelo resfriamento da areia, do cascalho, da água e do cimento antes de serem mistu- rados, como mostrado na Fig. e pela introdução de tubos de água fria no seu interior. Remoção do Sal da do Mar Um dos métodos para a remoção do sal da água do consiste no congelamento da água, produzindo gelo praticamente sem sal, que é posteriormente fundido, resultando água Figura 1-8 Uma unidade de refrigeração em uma petroquímica. No interior do edifício estão instalados compressores com uma potência total de 6500 kW. Os equipamentos de refrigeração podem ser vistos à direi- ta do (U.S. Industrial Chemicals Company, Division of National Distillers and Chemical Corp.) and Figura 1-10 Pré-resfriamento dos componentes do concreto para uma barragem. (Sulzer Brothers, Inc.) 1-10 Conclusão A indústria de refrigeração e do ar condicionado tem se caracterizado por um crescimen- to contínuo* É também uma indústria estável, onde o mercado de substituição juntamente com novas aplicações contribuem para a manutenção do progresso. alto custo da energia a partir de 1970 foi um fator que tem desencadeado uma série de desafios ao engenheiro. Alternativas inovadoras para aumento da eficiência, impraticáveis alguns anos atrás, têm sido seriamente consideradas, sendo justificadas pelo aspecto econômico. Um exemplo é a "recuperação de calor" a baixa temperatura pela elevação do nível de temperatura dessa energia através de uma bomba de calor (que nada mais é do que um sistema de refrigeração). Assim, o tempo em que se projetava um sistema pelo critério do mo custo inicial parece ter sido superado, uma vez que o custo operacional passou a ser um ele mento importante de projeto. Figura Uma unidade compacta de refrigeração de duplo estágio para condensação de a -23°C. (Refrigeration Engineering Corporation.) NT. Também no Brasil, como o atesta o número de empresas filiadas à ABRAVA e ao</p><p>16 Refrigeração e Ar Condicionado Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de Calor 17 Os modelos não terão utilidade alguma se não forem expressos em termos A unidade de pressão é newtons por metro quadrado também denominada As expressões matemáticas propiciam as equações básicas, ou leis, que permitem explicar ou pascal, Pa. Newton é uma unidade de força. prever o comportamento de um fenomeno natural. As primeira e segunda leis da A pressão atmosférica padrão é igual a 101.325 Pa 101,3 kPa. mica e a lei de Fourier são exemplos pertinentes. Neste capítulo a utilização desses conceitos, modelos e leis na descrição, projeto e análise de sistemas térmicos em edifícios e As pressões são medidas por instrumentos denominados manômetros, exemplos esquemá indústrias. ticos dos quais são mostrados na Fig. No caso do manômetro de coluna de água uma das extremidades é aberta à atmosfera e, portanto, o desnível da coluna indica a pressão manométri- ca, que é a indicada pelo outro manômetro da Fig. 2-3 Propriedades Termodinâmicas Manômetro de coluna Um aspecto importante na análise de um sistema térmico é a identificação das proprieda- des adequadas. Uma propriedade é uma característica ou atributo da matéria Manômetro Desvio que pode ser avaliada quantitativamente, tais como temperatura, pressão e densidade. Trabalho e calor podem ser determinados em termos de variações de propriedades, não sendo, entretanto, propriedades. Uma propriedade é algo inerente à matéria. Trabalho e calor, por outro lado, são Duto interações entre sistemas que alteram suas propriedades, podendo ser medidos somente na fron- teira do sistema. A quantidade de energia transferida depende de como uma dada mudança Air ocorre. Uma vez que a termodinâmica se desenvolve em torno da energia, todas as propriedades a ele se relacionam. A condição ou estado de um sistema é definido pelo valor Figura 2-1 Medida da pressão em um duto de com dois tipos de de suas propriedades. Na análise que se segue serão considerados estados de equilíbrio, os quais exigem para sua definição o conhecimento de duas propriedades intensivas no caso de cias simples. No caso de misturas como, por exemplo, o seco e o vapor de água, três são as Densidade e Volume propriedades necessárias para definir o estado do sistema. Definido o estado, todas as outras propriedades (além das duas ou três que o definem) poderão ser determinadas, uma vez que elas A densidade de um fluido, p, é a massa que ocupa uma unidade de o volume não são independentes. é o volume ocupado pela unidade de massa. A densidade é o inverso do volume As propriedades mais importantes neste texto são: temperatura, pressão, densidade e específico. A densidade do à pressão atmosférica padrão e à temperatura de 25°C é de 1,2 volume específico, calor específico, entalpia, entropia, e propriedade característica do brio líquido-vapor. Exemplo 2-1 Temperatura Qual é a massa de ar contida em um recinto de dimensões 4x6x3 m se o volume específico do é de 0,83 /kg? A temperatura de uma substância indica o seu estado térmico e a sua habilidade de trocar energia com outra substancia que esteja em comunicação térmica. Nesse sentido, uma Solução substância a uma temperatura mais alta pode ceder calor a outra a uma temperatura mais baixa. Os pontos de da escala Celsius são o ponto de fusão do gelo (0°C) e o ponto de ebu- o volume do recinto é de 72 de modo que a massa de contida deve ser lição da água (100°C). 72 A temperatura absoluta, T, é o número de graus acima do zero absoluto, expressos em kg kelvins (K). Conseqüentemente = + 273. Uma vez que os intervalos de temperatura em ambas as escalas são iguais, diferenças de temperatura podem ser apresentadas indistintamente Calor Espectfico em ambas as escalas. o calor específico de uma substância é a energia necessária para elevar que 1 k a tempera- tura de uma massa unitária dessa Uma vez que o valor numérico dessa propriedade depende da maneira como o processo é realizado, deve-se descrever modo pelo qual o calor é p, é a força normal por unidade de área da superfície sobre a qual a força atua. fornecido ou As descrições mais comuns são calor específico a volume constante, Denomina-se pressdo manométrica ao valor da pressão em relação à pressão Caso e à pressão constante, Cp. Este último é mais importante nos processos de aquecimento e res- contrário tem-se a absoluta, medida a partir do vácuo absoluto. friamento em condicionado e refrigeração.</p><p>18 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de Ter e Transferência de Calor 19 Os calores específicos aproximados de algumas substâncias são dados a seguir. Solução: A variação de entalpia neste processo à pressão constante é ar seco água líquida vapor de água A taxa de transferência de calor para converter a água em vapor será representa a unidade de energia denominada Joule. (0,06 kg/s) (2299 = 137,9 kW Exemplo 2-2 Qual é a taxa de transferência de calor em um aquecedor de água se 0,4 kg/s de água Entropia entram a 82°C e deixam o aquecedor a 93°C? Embora a entropia, tenha importantes implicações técnicas e filosóficas, neste texto Solução será utilizada de um modo e limitado, sendo referida como um meio de familiarizar Como a pressão da água permanece essencialmente constante, Cp pode ser utiliza- o leitor com o seu conceito. Duas implicações dessa propriedade são: do. A quantidade de energia adicionada por quilograma de água é dada por 1. A compressão ou expansão sem atrito de um gás ou vapor sem intercâmbio de calor é um processo em que a entropia se mantém constante. 2. No processo descrito acima, a variação de entalpia representa o trabalho por unidade de As unidades em ambos os lados da equação devem ser coerentes. Graus °C e K cancelam- massa necessário para a compressão ou obtido da expansão. se uma vez que o calor específico'é utilizado com diferenças de temperatura, as quais produzem resultados idênticos utilizando-se °C ou K. Considerando que 0,4 kg/s escoam pelo aquecedor, A utilização mais importante da entropia neste texto será na obtenção gráfica do trabalho isoentrópico de compressão em ciclos de refrigeração de compressão a vapor. a taxa de transferência de calor será kg/s) Entalpia Propriedades Características do Equilíbrio Se ao processo à pressão constante apresentado acima for imposta uma condição de que nenhum trabalho seja realizado sobre a substância, como, por exemplo, o trabalho de um A maioria dos sisteinas de aquecimento ou refrigeração operam com substâncias que compressor, o calor adicionado ou removido por unidade de massa é igual à variação de ental- mudam de fase líquido para a fase vapor e vice-versa durante um ciclo completo. As substâncias pia. valor da entalpia de diversas substâncias pode ser encontrado em ábacos ou tabelas. Esses mais comuns são a água e os refrigerantes. As pressões, temperaturas e entalpias são as proprie- valores de entalpia são baseados em um estado de referência arbitrariamente escolhido. Assim, dades mais importantes, de modo que a relação entre é apresentada em tabelas ou ábacos, por exemplo, o estado de referência da água e do vapor é o da água líquida saturada a 0°C, para um exemplo dos quais pode ser visto na Fig. 2-2, onde o diagrama pressão-entalpia de água é o qual a entalpia é admitida nula. A entalpia da água líquida a 100°C é igual a 419,06 kJ/kg e mostrado. a do vapor à mesma temperatura é igual a 2676 kJ/kg. Ambos os valores foram obtidos a partir As regiões principais desse diagrama são: (1) a região de líquido sub-resfriado, à esquerda, do estado de referência referido acima. (2) a região de mudança de fase, no centro e (3) a região de vapor superaquecido, à direita. Na região existe somente líquido, ao contrário da região 3, onde somente vapor é possível. Na Uma vez que a variação de entalpia é igual 20 calor adicionado ou removido em um pro- região 2 líquido e vapor coexistem. A linha de separação das regiões 2 e 3 denomina-se linha de cesso à pressão constante, a variação de entalpla no Exemplo 2-2- deve ser de 46,1 kJ/kg A vapor saturado. para a direita sobre uma linha a partir da linha de liqui- entalpia pode expressar a taxa de transferência de calor em processos onde ocorre mudança de do saturado, a mistura líquido-vapor varia de 100% líquido a 100% vapor (evaporação ou condensação), como por exemplo, em caldeiras ou em uma serpentina de aquecimento de ar onde vapor de água se condensa. Na Fig. 2-2 mostram-se três isotérmicas: a de 50°C, a de 100°C e a de 150°C. À medida que se eleva a pressão, a temperatura de ebulição aumenta, o que é razoavelmente intuitivo. Exemplo 2-3. Assim, para a água, a temperatura de ebulição à pressão de 12,3 kPa é de 50°C, ao passo que à Água, com a vazão de kg/s, entra em uma caldeira a 90°C, sendo sua entalpia de pressão atmosférica normal, 101 kPa, a água entra em ebulição à temperatura de 100°C. A água deixa a caldeira como vapor a 100°C. Qual é a taxa de calor transfe- Na mesma figura mostram-se duas linhas de entropia constante na região de vapor super- rido na caldeira? aquecido.</p><p>Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de 21 20 Refrigeração e Ar Condicionado A Lei dos Gases Perfeitos 500 150°C 400 Como foi observado anteriormente, as propriedades das substâncias não são independen- 300 tes, uma vez que dependem do estado da substância. Um modelo do comportamento dos gases, 200 denominado gás perfeito, tem a pressão, a temperatura e o volume específico relacionados pela equação. Região Região de mudança de fase de de líquido pv=RT resfriado = 100°C 100 onde = pressão absoluta, Pa. 80 = volume R = constante do gás = 287 K para o e K para a água. 60 T = temperatura absoluta, K. 50 40 Nas aplicações deste texto, o seco e o vapor altamente superaquecido poderão ser admi- 30 tidos como gases perfeitos, o mesmo não ocorrendo com vapores da água e dos refrigerantes em estado próximo da saturação. 20 de Região de vapor Exemplo 2-5 50°C super- Qual é a densidade do seco à pressão de 101 kPa e à temperatura de 25°C? aquecido 10 Solução. 8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,4 1,6 1,8 2,0 2.2 2.4 2,6 2,8 3,0 A densidade é o inverso do volume Logo, Entalpia, MJ/kg 1 p p = = = Figura 2-2 o diagrama pressão-entalpia da água. y RT (287 Exemplo 2-4 Qual é a transferência de calor para água de uma caldeira, se a vazão é de 9 kg/s e a água entra no estado líquido a 50°C e deixa a caldeira como vapor superaquecido a 2-4 Processos 150°C? processo ocorre à pressão atmosférica normal. Alguns processos termodinâmicos, tais como aquecimento e resfriamento, foram discu- tidos quando da apresentação das propriedades termodinâmicas. Antes de expandir a discussão Solução: para outras aplicações, algumas definições, modelos e leis serão revistos. processo na caldeira consiste de três etapas distintas: (1) aquecimento da água sub-resfriada até o estado de líquido saturado, (2) transformação do líquido saturado a Como a energia é o fundamental da termodinâmica, modelos básicos e leis foram 100°C em vapor saturado a 100°C e (3) superaquecimento do vapor saturado até a tem- desenvolvidos para facilitar as análises envolvendo energia, em outras palavras, para descrever a peratura de 150°C. A taxa de transferência de calor é dada pelo produto da vazão pela energia de um sistema e a transferência de energia. Análise envolvendo energia é basicamente variação de entalpia. A entalpia da água que entra na caldeira a 50°C e 101 kPa é igual a um balanço. 209 kJ/kg, a que pode ser obtida aproximadamente da Fig. 2-2 ou, de uma forma mais Neste livro o termo sistema será utilizado para descrever o objeto ou objetos que estão precisa, na Tabela A-1 do Apêndice. A entalpia do vapor superaquecido à pressão de 101 sob análise ou discussão. Um sistema pode envolver simplesmente um dado volume de um flui- kPa e temperatura de 150°C é de 2745 kJ/kg. Assim, a taxa de transferência de calor será do homogêneo, como pode tratar-se da rede de distribuição de água quente de um edifício. Na igual a: maioria dos casos os sistemas são definidos em termos de uma região definida do espaço, confi- = kW nada por uma superfície fechada, denominada fronteira do sistema. Sob certas condições o</p><p>22 Refrigeração e Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de Calor 23 "sistema" é denominado volume de controle e sua fronteira de superfície de A forma objetos é igual à soma das massas individuais dos e que a divisão de um corpo homogê- e o tamanho do sistema são arbitrários, sendo escolhidos de modo a facilitarem os balanços ou neo em duas partes resulta em dois corpos de mesma massa, igual à metade da massa transferências de energia. Tudo que não estiver contido no sistema é denominado meio. do corpo original. Essas idéias constituem a denominada lei da da massa. Nesse sentido, a massa não é criada nem destruída em qualquer processo. Ela pode ser armazenada Considere-se o sistema da Fig. 2-3, onde massa é transferida do meio no ponto e do sis- ou transferida do sistema para o meio, mas tais processos devem ser considerados em um balan- tema para o meio no ponto 2. Tal sistema poderia representar tanto um equipamento simples global. Considere a Fig. 2-3 novamente. A massa do sistema pode variar com o tempo, à como uma bomba ou como um edifício inteiro. A definição clara do sistema proporciona a base medida que massa entra e sai do sistema. Considere-se que, durante o intervalo de tempo para a utilização dos modelos que descrevem o comportamento dos objetos reais estudados na a massa entra e a massa deixa o sistema. Se a massa do sistema no instante 0 é e no instante 0 é pela lei da conservação da massa. próximo passo será a formulação das leis básicas: a da conservação da massa e a da con- servação da energia, que serão exaustivamente utilizadas nos capítulos 2-5 Conservação da Massa Dividindo por so, resulta Massa é um conceito fundamental, não apresentando uma definição simples. mente é definida em termos da Lei de Newton: 80 Expressando o fluxo de massa (vazão) como onde m = massa, kg a = aceleração, = velocidade, m/s 0 = tempo, a taxa de variação da massa em um dado instante pode ser escrita como Se a taxa de variação da massa do sistema é nula, então, m 0 e dm Figura 2-3 Conservação de massa em um sistema simples com fluxo de massa. que ocorre quando o sistema opera em regime permanente, que será adotado ao longo deste texto. Um objeto sujeito a uma força acelera a uma taxa que depende da intensidade da força. Nesse sentido a massa seria a característica do objeto responsável pela resistência à mudança da 2-6 Equação da Energia para Regime Permanente velocidade. Assim, dois objetos que apresentam a mesma aceleração sob a ação de duas forças possuem a mesma massa. o conceito de massa implica que a massa conjunta de dois Na maioria das aplicações de refrigeração e condicionado a vazão não varia de instante a instante, podendo ser admitida constante. No sistema mostrado esquematicamente na Fig 2-4 o balanço de energia pode ser escrito como: a taxa de energia que entra com o escoamento no ponto 1, adicionada à taxa com que energia é cedida ao sistema na forma de calor menos Na realidade, o volume de controle não é um sistema, uma vez que se trata de uma região do espaço, taxa de realização de trabalho e a taxa de energia que deixa o sistema com o escoamento pelo por meio da qual ocorre fluxo de massa. Será um sistema quando esse fluxo for nulo. No texto os au- ponto 2, é igual à taxa de variação de energia do volume de controle. A expressão matemática tores usam indistintamente os dois termos. do balanço de energia pode ser escrita como.</p><p>24 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de 25 in ou, em outras palavras, a taxa de transferência de calor é igual ao produto da vazão pela varia- (2-1) ção da entalpia, como tinha sido admitido nos Exemplos 2-2 e Exemplo 2-6 W Água com vazão de 1,2 kg/s deve ser resfriada de 10 até 4°C para posteriormente I in ser fornecida a uma serpentina de resfriamento de um sistema de condicionado Deter- mine a taxa de transferência de calor. Solução in Da tabela A-1 obtém-se a 4°C, h = 16,80 kJ/kg e a 10°C, h = 41,99 kJ/kg. Logo, Figura 2-4 Balanço de energia em um volume de controle com vazão constante. 2-8 Processo Adiabático Adiabático quer dizer que nenhum calor é transferido, isto Quando as paredes de onde in = vazão, kg/s um sistema são isoladas termicamente, o processo é praticamente o mesmo ocorren- h = entalpia, J/kg do quando a taxa de transferência de calor é muito pequena comparada com os fluxos líquidos de energia do sistema. = velocidade, m/s = elevação, m 2-9 Trabalho de Compressão g = aceleração da gravidade = taxa de transferência de energia na forma de calor, W Um exemplo de processo que pode ser modelado como adiabático é o da compressão de W = taxa de transferência de energia na forma de trabalho, W um gás. As variações de energia cinética e potencial sendo desprezíveis, da Eq. (2-2) resulta E = energia do sistema, J A maioria dos processos ocorrem em condições de regime permanente, para os quais o termo é nulo. Nessas condições a equação da energia pode ser escrita como A potência necessária para a compressão é igual ao produto da vazão pela variação de entalpia. A potência, W, é negativa para o compressor. + W (2-2) 2-10 Compressão Isoentrópica A equação da energia na forma da Eq. (2-2) será utilizada Algumas apli- Outra ferramenta poderia ser utilizada no cálculo da variação de entalpia. Essa ferramen- cações são apresentadas a seguir. é relacionada com o fato de que uma compressão realizada sem o efeito do atrito e adiabati- camente é isoentrópica. Assim, no diagrama pressão-entalpia da Fig. o processo de com- 2-7 Aquecimento e Resfriamento pressão isoentrópica ocorre ao longo da isoentrópica 1-2. Se o estado do gás na entrada (pon- to 1) é conhecido, bem como a sua pressão de descarga, o ponto 2 pode ser determinado e Na maioria dos processos de aquecimento e resfriamento, como no aquecedor de água do a potência calculada através de in A compressão real ocorre ao longo de uma linha Exemplo 2-2 e a caldeira do Exemplo 2-3, as variações de algumas formas de energia podem ser situada à direita da isoentrópica. Essa linha aparece tracejada na Fig. terminando no ponto desprezadas. Em geral, as variações da energia cinética, e da energia potencial, 9,18z, do que se pode concluir que a potência necessária é maior que aquela do processo ideal entre dois pontos, são desprezíveis em face da variação de entalpia, do trabalho realizado ou do calor trocado. Se nenhum trabalho de máquina é realizado no processo, A equação da energia se reduz a: Exemplo 2-7 ou Determine a potência necessária para comprimir 1,5 kg/s de vapor de água satura- do de uma pressão de 34 kPa até uma pressão de 150 kPa.</p><p>26 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de e Transferência de 27 Solução Diferenciando a equação de definição da entalpia h = pv, resulta Da Fig. 2-2, = 34 kPa e estado saturado, obtém-se dh (2-5) e Combinando as Eqs. (2-3) e (2-5), obtém-se À = = (2-6) Assim, Aplicando a Eq. (2-6) a um processo isoentrópico resulta -450 kW Substituindo a expressão de dh acima na Eq. para escoamento isoentrópico. Real (2-7) Admitindo a densidade constante, a Eq. (2-7) pode ser integrada, resultando Entalpia Figura 2-5 Diagrama pressão-entalpia mostrando uma linha isoentrópica gz = constante (2-8) A equação de Bernoulli será utilizada sempre que as variações da densidade forem peque- 2-11 Equação de Bernoulli nas, de modo que o fluido (gás ou líquido) pode ser incompressível, A equação de Bernoulli é demonstrada frequentemente por um comportamento mecâni- Exemplo 2-8 dos fluidos, podendo, entretanto, ser obtida a partir da equação da energia, usando argu- mentos da segunda lei da Assim, pode ser demonstrado que: Água é bombeada de um resfriador no subsolo de um prédio, onde até uma serpentina de resfriamento situada no andar, onde 2=80 2 m. Qual deve ser a míni- ma elevação de pressão que a bomba deve fornecer se a temperatura da água é de 4°C? (2-3) Solução onde é a energia interna em J/kg. A expressão citada denomina-se equação de Gibbs. Para o A variação de energia cinética deve ser uma vez que as velocidades de entrada escoamento de um fluido em um duto, em geral, o processo é adiabático, = 0, e não há reali- e saída são iguais. Da equação de Bernoulli, zação de trabalho mecânico, de modo que da Eq. (2-2) resulta Como a densidade, p, é A (2-4) = =</p><p>28 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de e Transferência de Calor 29 2.12 Transferência de Calor tadas e bem ordenadas transferem calor melhor do que as moléculas mais esparsas dos materiais não-metálicos. Os elétrons livres, presentes nos materiais metálicos, são em parte responsáveis A análise de transferência de calor é feita a partir das equações de conservação de massa e pela elevada condutividade térmica desses materiais. Assim, bons condutores elétricos são geral- energia, da segunda lei de termodinâmica e de três leis fenomenológicas que descrevem as taxas mente bons condutores de calor. Os sólidos inorgânicos com estrutura cristalina menos ordena- de transferência de energia em condução, convecção e radiação. As leis fenomenológicas são as da que os metais apresentam condutividades térmicas menores. Materiais orgânicos e fibrosos expressões matemáticas dos modelos que descrevem os processos de transferência de calor. como a madeira têm condutividades ainda De uma maneira geral as condutividades Transferência de calor em um corpo sólido, denominada condução, envolve um proces- micas dos líquidos não metálicos são menores que as dos sólidos, mas maiores que as dos gases de transferência de energia a nível molecular. Radiação, por outro lado, é um mecanismo à pressão A redução da condutividade térmica dos líquidos é atribuída à inexistên de transferência de energia realizado pela propagação de um gás de fótons de uma superfície cia de uma coesão forte entre as além do seu maior espaçamento. A Tabela 2-1 for para outra, não havendo necessidade de um meio transmissor entre as superfícies. Transferência nece a ordem de grandeza da condutividade térmica de distintas classes de materiais. de calor por convecção depende do processo de condução na região do fluido junto à superfície A expressão diferencial unidimensional da lei de Fourier pode ser escrita como de um sólido e do movimento desse fluido. Os três mecanismos de transferência de calor são distintos entre si, apresentando características comuns como a dependência da temperatura e das dimensões dos objetos envolvidos. 2.13 Condução 2-14 Radiação fluxo de energia resultante do processo de transferência de calor por condução em um Como foi observado anteriormente, a transferência de calor por radiação se dá como sólido é proporcional à diferença de temperatura e à área e inversamente proporcio- resultado do deslocamento de fótons de uma superfície para outra. Ao atingir uma superfície, nal ao comprimento. Tais observações podem ser verificadas experimentalmente. Coube a esses fótons podem ser absorvidos, refletidos ou transmitidos. Fourier estabelecer a expressão matemática desse processo. Para um problema unidimensional. A energia irradiada por uma superfície é definida em termos do seu poder emissivo. Usan- do argumentos da termodiaâmica pode ser demonstrado que o poder emissivo é proporcional (2-9) à quarta potência da temperatura absoluta. o poder emissivo de um radiador perfeito (En) denominado corpo negro, é dado por (E, onde A = área da seção transversal, As = diferença da temperatura, K L = comprimento, m k = condutividade térmica, onde a constante de Stefan-Boltzman = 5,669 X 10-8 T = temperatura absoluta, Como os corpos reais não são negros, eles irradiam menos energia que um corpo negro à Tabela 2-1 Condutividade térmica de alguns materiais mesma temperatura. A razão entre o poder emissivo real, E e o poder emissivo do cor po negro é denominada emissividade, onde Material Temperatura °C Densidade Condutividade, Alumínio (puro) 20 2707 204 Cobre (puro) 20 8954 386 Certa classe de materiais, denominados cinzentos (ou cinza) apresenta a emissividade igual Tijolo 20 2000 1,32 à absortividade, isto é, Vidro 20 2700 0,78 Água 21 997 0,604 Madeira (pinho) 23 640 onde é a absortância (adimensional). 0,147 Ar 27 1,177 0,026 Outra característica importante da transferência de calor por radiação é o fato de a radia ção que deixa a superfície ser uniformemente distribuída em todas as Assim, o posi A condutividade térmica é uma característica do material. A razão k/L é denominada cionamento geométrico das superfícies deve afetar a troca de calor por radiação entre elas. Por exemplo, a troca de calor por radiação entre duas placas negras paralelas de 1m, distanciadas A condutividade térmica e. portanto, a taxa de transferência de calor por condução, é relacionada à estrutura molecular dos materiais. As de um metal que são compac- NT. Este é um caso particular de superfície.</p><p>30 Refrigeração e Ar Condicionado Fundamentos de Transferência 31 de é de 1,13 kW, ao passo que se as duas placas estivessem distanciadas de 2m, a transferên- pVD cia de calor seria de 0,39 kW. Se elas fossem posicionadas perpendicularmente com um lado Número de Reynolds Re = comum, a transferência de calor seria de 1,13 kW novamente. A relação geométrica acima refe- rida pode ser determinada e é denominada fator de forma, Número de = As características óticas das superfícies, como a emissividade, a absortância, a transmissi- vidade e a refletividade também afetam a transferência de calor por radiação. Se esses efeitos D forem agrupados em um fator a troca de calor por radiação entre duas superfícies pode ser Número de Nusselt Nu = determinada pela seguinte k (2-10) Para configurações de escoamento particulares, a relação entre os números de Reynolds, e Nusselt pode ser expressa por Os métodos para a determinação de Fe e FA podem ser encontrados em textos e manuais transferência de calor. onde os valores da constante dos expoentes m e n podem ser obtidos de resultados experi- (2-11) mentais, como mostrado na Fig. para escoamento forçado no interior de tubos lisos. 2-15 Convecção A expressão matemática da taxa de transferência de calor por convecção foi proposta por Newton em 1701, baseado na observação onde = coeficiente de transferência de valor, is = temperatura da superfície, °C = temperatura do fluido, °C Esta equação é exaustivamente utilizada em engenharia, embora seja mais uma equação de definição de do que uma lei fenomenológica da convecção. Na realidade a análise da trans- ferência de calor por convecção baseia-se na determinação de Experiências têm demonstra- Nu = 0.023 Pr do que o coeficiente de transferência de calor para escoamentos sobre placas planas, dutos e através de tubos depende da velocidade do fluido, de suas propriedades e da geometria da super- 102 do sólido. Os resultados experimentais têm tido um significativo apolo da análise teórica, que pode ser utilizada na obtenção de correlações válidas para configurações das quais não se dispõem resultados experimentais. Em engenharia utilizam-se principalmente as correlações, que são apresentadas em termos de parâmetros adimensionais. Esses parâmetros foram identificados por análise dimensional, a qual agrupa as variáveis que afetam o processo de transferência de calor por convecção. A escolha apropriada dessas variáveis depende de um perfeito entendi- 10' 106 mento do fenômeno físico e da habilidade em desenvolver modelos das configurações Número de Reynolds de escoamento básicas. A descrição detalhada dessas técnicas situa-se além dos objetivos deste capítulo. leitor interessado poderá consultar textos pertinentes em transferência de calor. Este se limitará à apresentação dos parâmetros adimensionais pertinentes e das corre- Figura Resultados experimentais para convecção forçada no interior de tubos lisos (escoamento tur- lações que normalmente são utilizadas na avaliação do coeficiente de transferência de calor, hc: bulento)</p><p>34 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de e Transferência de 35 R* B R* Meio Meio 2 A C D 2 R* B 2 parede Figura Transferência de calor em paralelo. Radiação Radiação e condução e Exemplo 2-9 convecção convecção Utilize os dados da Fig. 2-10 para determinar a taxa de transferência de calor em através da parede e a temperatura da superfície externa do isolamento se =0°C Admita que na região isolada da parede, 20% do espaço seja ocupado por ele- mentos estruturais constituídos de caibros de madeira. m Figura 2-7 Transferência de calor entre dois recintos através de uma parede. Ar externo Tijolo estrutural Espaço de o Blindagem Isolamento térmico Figura 2-8 Circuito de transferência de calor para o caso em que as resistências de convecção e radiação são Caibro combinadas por meio de uma resistência equivalente. Revestimento de gesso Ar interior pode ser determinado da seguinte relação k, A. W/m K R* R* R* Ar externo 1,0 0,029 Tijolo estrutural 0,09 1,30 1,0 0,070 Espaço de 1,0 0,170 Blindagem 0.013 0,056 1,0 0,232 Outro exemplo de transferência de calor em paralelo ocorre quando os elementos estru- Isolamento térmico 0,09 0,038 0,8 2,96 turais apresentam paredes de materiais distintos. Assim, por exemplo, na Fig. 2-9, C pode ser Caibro 0,09 0,14 0,2 3,2 um elemento estrutural e o espaço intermediário pode ser ocupado por materiais distintos, Revestimento de gesso 0,013 0,16 1,0 0,08 Ar interior 1,0 0,125 como isolantes. A resistência entre o an dos dois ambientes é igual a Subtotal 0,029 0,472 2,96 3,2 0,08 0,125 Figura 2-10 Parede do exemplo</p><p>32 Refrigeração e Ar Condicionado Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de Calor 33 Tabela 2-2 Faixa típica de valores do coeficiente de transferência de calor em convecção onde E = diferença de potencial fásica, ebulição e condensação. I = corrente R = Resistência Processo Escrevendo equação da transferência de calor em termos da analogia elétrica Convecção natural, 5-25 Convecção natural, água 20-100 Convecção forçada, as 10-200 Convecção forçada, água 50-10.000 Água em ebulição 3000-100.000 Água condensando 5000-100.000 onde RT é a resistência térmica. Para os três mecanismos de transferência de calor L A Tabela 2-2 fornece os valores típicos de para transferência de calor por convecção para condução água e an e para a água em ebulição e condensação. convecção Térmica radiação fato de as equações das taxas de transferência de calor por condução e convecção apre- sentarem uma forma linear, em termos de condutância, da área e da diferença de temperatura é muito interessante nos cálculos. Infelizmente a lei de Stefan-Boltzman da radiação não é Tendo definido a resistência térmica, é fácil aplicar alguns conceitos de circuitos elétricos linear na temperatura. Os cálculos de transferência de calor seriam simplificados se a transferên- à transferência de calor. Deve ser observado que a condutância é o inverso da resistência, cia de calor por radiação pudesse ser expressa em termos de uma condutância de radiação tal e que as condutâncias são aditivas em circuitos em paralelo. que Considere-se o processo de transferência de energia entre dois recintos através de uma parede, como mostrado na Fig. 2-7. Admitindo que o gás e as outras paredes do recinto este- jam a e do recinto 2 a a resistência total será dada por: onde é um coeficiente equivalente de transferência de calor por radiação, Compa- rando a equação acima com a equação de o valor de h, resulta igual a ou que é uma função não linear da temperatura. como as temperaturas são absolutas, o valor de não varia significativamente para uma faixa de temperatura razoável, podendo ser constante para efeitos práticos, validando a equação da transferência de calor por radiação onde os e 2 referem-se aos recintos e os índices p referem-se a radiação, linearizada. ção e parede. Com a equação da taxa de transferência de calor por radiação linearizada, tem-se Como a convecção e a radiação ocorrem simultaneamente em uma superfície, no cálculo k das cargas de resfriamento e de aquecimento a ser abordado no Cap. 4 é comum combinar os A condução dois mecanismos em uma só condutância, igual a (hc hr) A. No caso da Fig. 2-7 o circuito elétrico analógico reduz-se a um conjunto de resistência em série. como mostrado na Fig. convecção onde hr) A. radiação Em alguns problemas deseja-se determinar as temperaturas superficiais, sendo conhecidas as temperaturas ambientais. Como o fluxo de calor entre es recintos é constante, para condições Considerando que é o fluxo de calor e é a diferença de potencial, a analogia com a lei de regime permanente. de Ohm fica evidente ou</p><p>36 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de Calor 37 Solução: Muitos materiais de construção são vendidos com espessuras normalizadas, de modo que A partir dos dados fornecidos, para cada de superfície é possível obter sua resistência térmica diretamente de tabelas sem ter que calculá-la pela expressão Outra convenção normalmente adotada é referir a resistência a de área. A relação entre tal resistência, R, com unidades e aquela que vinha sendo utilizada, é dada por condução R*A = Logo superfície Em uma parede plana, para a qual A é igual em todas as superfícies, 1 = A temperatura da externa do isolamento é dada por As resistências apresentadas no Capítulo 4 (por exemplo, na Tabela 4-3) são todas dadas em unidades 2-17 Seção Transversal Cilíndrica Se o elemento estrutural do Exemplo 2-9 fosse desprezado, a resistência total seria = 3,67 e = 5,73W, o que indica que a presença de elementos estruturais afeta significativamen- Nas seções precedentes foram abordadas geometrias planas. Quando transfere calor em te a taxa de transferência de calor. tubos, a geometria é cilíndrica. Neste caso a área, por meio da qual o calor é transferido, não é constante, resultando a seguinte expressão para a resistência térmica. A taxa de transferência de calor dada pela equação (2-13) (2-12) onde = raio externo, m = raio interno, m = comprimento, m é determinada pela relação 2-18 Trocadores de Calor Trocadores de calor são extensivamente utilizados em refrigeração e an condicionado. trocador de calor é um dispositivo onde energia é transferida entre fluidos através de uma onde U = coeficiente global de transferência de calor, parede sólida. Como tal eles envolvem processos de transferência de calor por condução e con- A = área superficial, vecção. Assim, o conceito de resistência térmica introduzido na seção anterior pode ser utiliza- do na análise de trocadores de calor, uma vez que os fluidos e a parede sólida podem ser consi- Comparando a equação acima com a Eq. (2-12) verifica-se que derados analogicamente como um circuito em série (Fig. 2-11). UA = onde e, portanto, (2-14) Os 1 e 2 referem-se aos dois fluidos.</p><p>Fundamentos de Culor 39 38 Refrigeração e Condicionado Numa dada seção do trocador de calor o fluxo de calor pode ser expresso pela resistência 2-19 Os Processos de Transferência de Calor no Corpo Humano térmica e pela diferença de temperatura entre os fluidos. Entretanto, a temperatura dos fluidos varia à medida que eles se deslocam pelo trocador de calor, resultando numa variação da dife- objetivo primeiro do ar condicionado é propiciar condições de conforto às pessoas. rença de temperatura de seção para seção. Assim, a análise do trocador torna-se difícil, a menos Alguns processos termodinâmicos e de transferência de calor são muito importantes na análise que uma diferença de temperatura média, que caracterize o desempenho global do trocador, do conforto térmico, sendo por isso explorados nesta No Capítulo 4 alguns princípios possa ser determinada. Normalmente utiliza-se a diferença média logarítmica de temperatura, do conforto térmico serão desenvolvidos. Sob o ponto de vista da termodinâmica o corpo DMLT, juntamente com um fator geométrico que caracterize a forma de escoamento dos flui- humano é uma máquina ineficiente. Por outro lado, é um excelente regulador de sua própria temperatura. corpo humano opera com os alimentos como combustível; parte da energia pro- dos pelo trocador de calor. A DMLT é definida como: duzida é utilizada na realização de trabalho e a restante é rejeitada como calor. Na Fig. 2-12 mostra-se esquematicamente as funções térmicas do corpo. calor é gerado em células espalha- B das por todo o corpo, sendo transferido ao sistema circulatório, o qual libera energia para o ambiente através da pele. Fluido 2 Em regime permanente (equilíbrio térmico do corpo) a energia produzida pelo metabo- lismo é igual ao calor transferido do corpo por convecção, radiação, evaporação e pela respira- ção. Se momentaneamente a taxa de metabolismo não é compensada pelo calor transferido, a A temperatura do corpo varia, ocorrendo um armazenamento de energia no corpo. Assim, um Fluido 1 balanço de energia para o corpo resulta em (2-16) 2nkl Figura 2-11 Trocador de calor em contra-correntes. onde M = metabolismo, W E = perda de calor por evaporação, W R = transferência de calor por radiação, W DMLT (2-15) C = transferência de calor por convecção, W B = perda de calor pela respiração, W S = taxa de variação da energia armazenada pelo corpo, W onde = diferença de temperatura entre os fluidos na posição K. = diferença de temperatura entre os fluidos na posição B, K. Alguns dos termos da Eq. (2.16) representam sempre liberação do calor pelo corpo, Uma análise mais detalhada de trocadores de calor será feita no Capítulo 12. enquanto que os termos de radiação, convecção e armazenamento de energia tanto podem ser positivos quanto negativos. Em outras palavras, dependendo das condições ambientes o corpo Exemplo 2-10 pode ganhar ou perder calor por convecção ou radiação. Determine o fluxo de calor trocado pelos fluidos no trocador de calor mostrado na Fig. 2-11, para os seguintes dados: = h2 = 80 k, ent = 60°C, Isolamento salda = 40°C, ent = 20°C, 82, = 10mm, comprimen- térmico Sistema de circulação metal do tubo Rejeição = + de calor 0,069(50) 2n(1) 0,063(80) Geração de calor DMLT Figura 2-12 o corpo como um sistema que gera e libera calor.</p><p>40 Refrigeração e Condicionado Fundamentos de Termodinâmica e Transferência de Calor 41 2-20 Metabolismo corpo e, conseqüentemente, da posição da pessoa e de sua orientação em relação à corrente de ar. Para convecção forçada, o valor de no pode ser determinado da relação o metabolismo é o processo pelo qual o corpo converte a energia dos alimentos em tra- balho e calor. Considerando o corpo humano como uma máquina térmica, pode-se afirmar que (2-18) uma pessoa pode converter a energia dos alimentos em trabalho com uma eficiência de no má- ximo 15 a durante curtos períodos de tempo. Em aplicações que não as industriais, em especial durante atividade leve, a eficiência é da ordem de A taxa metabólica básica é a taxa onde é a velocidade do ar em m/s. de metabolismo média correspondente a uma situação de repouso, excluindo períodos de sono. A temperatura da pele é controlada pelo sistema termoregulador do corpo, variando geral- A taxa de metabolismo é importante no contexto deste livro em virtude de: (1) represen- mente entre 31 e para as partes do corpo cobertas pela vestimenta. A temperatura da rou- tar o calor a ser removido pelo corpo através dos distintos mecanismos, como se verifica na Eq. pa situa-se normalmente entre as temperaturas da pele e do an ambiente, a menos que a roupa (2-16); (2) esse calor representa uma parcela da carga térmica de resfriamento de um sistema de esteja úmida, quando então a evaporação da umidade reduz a temperatura. ar condicionado. A taxa de liberação de calor por um ocupante de um ambiente acondicionado pode variar de 120W para uma pessoa em atividade sedentária, e até 440 para atividade inten- sa. A transferência de calor dos ocupantes é especialmente importante no projeto ambiental de 2-22 Radiação salas de aula, salas de conferência, teatros e outros ambientes onde ocorre concentração de pes- soas. A transferência de calor entre o corpo humano e o meio que a rodeia já foi representada Exemplo 2-11 pela Eq. (2-10). Nem todas as partes do corpo irradiam para o meio; algumas irradiam para Uma estimativa, grosso modo, seria admitir o corpo como uma máquina térmica outras partes do corpo. A área do corpo efetiva para radiação é, portanto, menor que sua área consumindo 2400 cal/d (1 cal = 4,19J) provenientes de alimentos. Se todos os alimentos superficial, em geral 70% desta. forem oxidados, sendo a energia de reação rejeitada na forma de calor, qual deve ser a As emissividades da pele e da vestimenta são muito próximas da do corpo negro, poden- liberação de calor em Watts? do, para todos os efeitos práticos, ser iguais a 1. A temperatura da superfície para a qual o cor- po irradia é comumente denominada temperatura radiante média, definida como sendo a Solução: temperatura uniforme de um meio imaginário com o qual corpo troca a mesma quantidade de A liberação média de calor deve ser 0,12 W, que está em desacordo com o valor calor por radiação que com o meio real. A temperatura radiante média é geralmente muito pró- esperado, 120 W, de um fator de A explicação pode ser encontrada no fato de que xima da temperatura do ar ambiente, exceto no caso de paredes externas, janelas e paredes as calorias utilizadas na medida dos alimentos ingeridos são quilo calorias, em vez de calo- internas afetadas pela radiação solar (insolação). rias simples, as quais são relacionadas com Joules pelo fator Assim, calor médio liberado é na realidade de aproximadamente 2-23 Evaporação 2-21 Convecção A remoção de calor do corpo pela evaporação do suor é um importante mecanismo de o termo C da Eq. (2-16) representa a taxa de transferência de calor por convecção para liberação de calor. Os mecanismos de transferência de calor por convecção ou radiação podem ou do ar ambiente. A equação elementar para a transferência de calor por convecção pode ser transferir calor de ou para o corpo, dependendo das condições ambientais. Entretanto, a evapo- escrita como ração sempre se constitui em um meio de rejeição de calor. Em ambientes quentes, a evaporação do suor constitui-se no mecanismo mais importante de remoção de calor do corpo. (2-17) Dois são os modos pelos quais o corpo "molha" a pele: por difusão e por transpiração. Difusão ou evaporação insensível é um mecanismo constante, enquanto a transpiração é contro- onde A = área superficial do corpo, lada pelo sistema termoregulador. Valores típicos da rejeição de calor pelos dois mecanismos = temperatura da pele ou da roupa, °C acima são mostrados no gráfico da Fig. 2-13. A taxa de transferência de calor pela evaporação = temperatura do ar, °C. insensível depende da permeabilidade ao vapor de água das camadas profundas da pele, sendo dada pela seguinte equação A área da superfície do corpo varia entre 1,5 e 2,5 dependendo do tamanho da pes- soa. coeficiente de transferência de calor, depende da velocidade do que circula pelo (2-19)</p><p>42 Refrigeração e Ar Fundamentos de e Transferência de Calor 43 (a) Qual é o estado do líquido na entrada da válvula (subresfriado, saturado ou vapor)? (b) Quantos kg de vapor deixam o tanque para cada kg que atravessa a válvula redu- 150 tora de pressão? Resp.: 0,0375 2-2 Ar com vazão de 2,5 kg/s é aquecido de -10 a 30°C em um trocador de calor. Qual é Insensível Transpiração de 100 taxa de transferência de calor? Resp.: 2-3 Um instrumento para medida de vazão de an é o Venturi, mostrado na Fig. 2-15, que tem a sua área transversal reduzida entre as seções A e B. A vazão é medida pela dife- 50 rença de pressão entre essas seções. A vazão de ar, cuja densidade é de deve ser medida em um Venturi de área na seção A igual a e na seção B de 0,4 A diferença de altura das colunas de água (densidade = 1000 de um 0 Figura Rejeição de calor por 15 20 25 30 manômetro é de 20 mm. escoamento entre A e B pode ser admitido sem atrito, de evaporação sem suor (insensível) modo que a equação de Bernoulli pode ser aplicada. Temperatura do ambiente, °C e com suor. (a) Qual deve ser a diferença de pressão entre A e B? (b) Qual deve ser a vazão em volume? Resp.: onde qins = taxa de transferência de calor por evaporação insensível, W. = calor latente de vaporização da água, J/kg 2-4 Utilize a equação de estado dos gases perfeitos, com R = para determinar A = área do corpo, o volume do vapor de água saturado a 20°C. Compare o resultado com Cdif = de difusão, aquele obtido diretamente da Tabela A-1. Desvio de Pp = pressão de saturação à temperatura da pele, Pa 2-5 Qual é a porcentagem de aumento ou redução do coeficiente de transferência de calor, Pa = pressão parcial do vapor de água do an ambiente, Pa. se a viscosidade de um fluido for reduzida da 10%? Utilize a relação da Fig. 2-6 mecanismo que predomina na rejeição de elevadas taxas de calor do corpo é o relacio- para a transferência de calor em tubos. Aumento de nado com a transpiração. Quando ocorre uma elevação da temperatura interna do corpo, o 2-6 Qual é a taxa de liberação de calor por convecção de um corpo humano exposto a uma sistema termoregulador ativa as glândulas sudoríparas, que produzem uma secreção de corrente de de 0,25 m/s e 24°C? Resp.: 60W. máxima (durante curtos da ordem de 0,3 g/s. Se todo esse suor for evaporado, para 2-7 uma rejeição de 2430 kJ/kg (calor latente de uma remoção de calor da ordem de Qual é a ordem de grandeza do calor transferido por radiação de um corpo humano 700 a 800 W será obtida. numa situação de conforto térmico? 2-8 A taxa de geração de calor e os processos de transferência por convecção, radiação e eva- Qual é a taxa de liberação de calor aproximada para evaporação insensível se a tempe- poração têm grande influência sobre os sistemas de condicionado, os quais têm por finalida- ratura da pele é de 32°C, a pressão de saturação a essa temperatura é de 4750Pa e de manter condições de conforto para os ocupantes de um dado recinto. a pressão parcial do vapor de água do an é de Admita que o calor latente de vaporização da água seja igual a 2,43 MJ/kg e PROBLEMAS Resp.: 18W. 2-1 Água a 120°C e 250 kPa escoa para um tanque à pressão atmosférica de 101,3 kPa através de uma válvula redutora de pressão, como mostrado na Fig. 2-14. Água Vapor Ar 250 kPa A B 101,3 20 mm redutora de pressão Líquido Figura 2-14 Válvula redutora de pressão do Problema 2-1. Figura 2-15 Um Venturi para medidas de vazão de ar.</p><p>44 Refrigeração e Condicionado REFERÊNCIAS 1. G. J. Van Wylen e R. E. Sonntag: "Fundamentals of Classical Thermodynamics," Wiley, New York, 1978. 2. W.D. Reynolds e H. C. Perkins: "Engineering Thermodynamics," McGraw-Hill, New York, 1970. 3. K. Wark: "Thermodynamics," 2? ed., McGraw-Hill, New York, 1976. CAPÍTULO 3 4. J.P. Holman: "Heat Transfer," ed., McGraw-Hill, New York, 1976. 5. F. Kreith e Black: "Basic Heat Transfer," Harper & Row, New York, 1980. 6. "ASHRAE Handbook, Fundamentals Volume," Cap. 8, American Society of Heating, Refrigerating, PSICROMETRIA E DE CALOR COM SUPERFÍCIE and Air Conditioning Engineers, Atlanta, Ga., 1981. MOLHADA 3-1 A Importância Psicrometria é o estudo das misturas de e vapor de água. Em ar condicionado o ar não é seco, mas sim uma de e vapor de água, resultando a importância da psicrometria. Em alguns processos água é removida do ar, enquanto em outros é adicionada. Os princípios de psicrometria serão aplicados nos capítulos em assuntos relacionados com o cálculo da carga térmica, sistemas de ar condicionado, serpentinas de desumidificação e resfriamento, torres de condensadores evaporativos. Em alguns equipamentos ocorrem processos com transferência de calor e massa neos entre o e uma superfície molhada. Exemplos de tais processos podem ser encontrados em alguns tipos de umidificadores, em serpentinas de desumidificação e resfriamento e em equi- pamentos de dispersão da água como torres de resfriamento e condensadores evaporativos. Mais adiante neste capítulo serão desenvolvidas algumas relações bastante convenientes na determi- nação das taxas de transferência de calor e massa utilizando o conceito de potencial de ental- pia. Inicialmente a carta psicrométrica será abordada detalhadamente, apresentando-se a seguir uma discussão dos processos mais comuns em ar condicionado. 3-2 A Carta Psicrométrica Cartas psicrométricas como a da Fig. 3-1 podem ser facilmente obtidas na literatura, correspondente. Por que, então, deter-se nos detalhes de obtenção dessas cartas? Duas são as razões: esclarecimento dos pontos básicos da carta psicrométrica e o desenvolvimento da capa- cidade de obter as propriedades do úmido sob condições distintas daquelas para as quais a carta foi desenvolvida, como por exemplo, para uma condição diferente da pressão barométrica padrão. 45</p><p>46 Refrigeração e Ar Condicionado Psicrometria e Transferência de Calor com Superfície Molhada 47 Algumas hipóteses simplificadoras serão feitas no procedimento de obtenção da carda desenvolvido a seguir, que serão apresentadas juntamente com recomendações para execução de cálculos mais precisos no decorrer do desenvolvimento. A carta obtida a partir dessas hipóteses simplificadoras apresenta uma precisão bastante razoável para a maioria das aplicações em engenharia. Se dados ou cartas mais precisos disponíveis é evidente que devem ser usados. 1 ap Linha de saturação de seco as de A de Vapor superaquecido B Temperatura, °C Figura 3-2 A linha de saturação A Linha de Saturação As cartas psicrométricas apresentadas neste capítulo terão como coordenadas a tempera- tura, no eixo de abcissas, e provisoriamente a pressão de saturação do vapor de água, Ps no eixo de ordenadas. Assim, a carta considera exclusivamente o vapor de água, cuja linha de satu- ração é mostrada na Fig. 3-2, podendo ser construída a partir das tabelas de água saturada (Ta- bela A-1). A região à direita da linha de saturação representa a região de vapor superaquecido. Se vapor superaquecido for resfriado à pressão constante, a linha de saturação será atingida, começando a condensação. Até agora o não foi considerado. Qual seria o efeito da presença de ar no vapor? Em princípio nenhum. o vapor de água comporta-se como se nenhum traço de estivesse presen- te. A uma pressão do vapor dada, denominada pressão parcial, a condensação se dará à mesma temperatura, quer haja presença ou não do ar. Na realidade ocorre uma leve interação entre as moléculas do e da água alterando muito pouco os resultados previstos nas tabelas de vapor. A Tabela A-2 apresenta as propriedades do saturado de vapor. A comparação entre a pressão parcial do vapor de água na mistura ar-vapor da Tabela A-2 e a pressão de saturação do vapor à mesma temperatura da Tabela A-1 revela uma diferença insignificante entre essas pressões. A Fig. 3-2 pode então ser considerada válida para a mistura de água. A região de Importância da carta será aquela limitada pelos eixos de coordenadas e a linha de saturação. Se o estado da mistura se dá sobre a linha de saturação o diz-se saturado, significando que uma redução adicional da temperatura causará uma condensação do vapor de água do ar. À direita da linha de saturação o an não é saturado. Figura 3-1 A carta psicrométrica.</p><p>48 Refrigeração e As e Transferência de Calor com Superficie Molhada 49 Se o ponto A representa o estado do ar, a temperatura da mistura deverá ser reduzida até onde W = umidade absoluta, (kg de vapor)/(kg de ar seco) a temperatura B para que a condensação tenha início. Diz-se que o no estado A tem uma y = volume de mistura, arbitrário, temperatura de orvalho igual à temperatura B. Pr = pressão atmosférica = Pa + Pa Pa pressão parcial do ar seco, Pa constante de gás do seco = 287J/kgK 3-4 A Umidade Relativa Rs= constante de gás do vapor = 461,5 T = temperatura absoluta da mistura, K A umidade relativa, é definida como sendo a razão entre a fração molar do vapor de água no úmido e a fração do vapor de água no saturado à mesma temperatura a pressão Introduzindo os valores numéricos de e na (3-1) resulta: total. Das relações para gases perfeitos pode-se sugerir outra expressão para 287 VAPOR (3-2) pressão parcial do vapor de água = pressão de saturação de água pura a mesma temperatura A pressão atmosférica que apareceu neste ponto do desenvolvimento psicrométrica será associada à pressão barométrica, considerada fixas para cada carta. A Eq. (3-2) mostra a Linhas de umidade relativa constante podem ser traçadas numa carta, como na Fig. 3-3, relação direta entre a umidade absoluta e a pressão parcial do vapor de água, de modo que esses marcando as distâncias entre a linha de saturação e o eixo das abscissas. Assim, a linha de umi- parâmetros podem ser colocados indistintamente como ordenadas, como é ilustrado na Fig. dade relativa de 0,5 é o lugar geométrico dos pontos médios da distância entre o eixo de abscis- 3-4. A relação entre W e não é linear. Assim, na Fig. 3-1, como na maioria das cartas psicro- sas e a linha de saturação sobre uma linha de temperatura constante. métricas, a escala de W é dividida linearmente, o que resulta uma escala de Ps levemente não linear. Exemplo 3-1 Determine a umidade absoluta de ar com 60% de umidade relativa e uma tempera- Linha de saturação tura de 30°C, para uma pressão barométrica padrão de 101,3 kPa. de Solução: de Da Tabela A-1 resulta que a pressão parcial do vapor em ar saturado a 30°C é igual a 4,241 kPa. Como a umidade relativa é de a pressão parcial do vapor de água no Umidade relativa será: = 2,545 kPa. Da Eq. (3-2). Temperatura °C 2,545 W=0,622 Figura 3-3 Linha de umidade relativa. o valor acima coincide com aquele que seria obtido se a carta da Fig. 3-1 fosse utilizada. 3-5 A Umidade Absoluta. A umidade absoluta, W, é massa de água contida em 1 kg de an seco. A umidade absoluta, bem como as propriedades que serão introduzidas a seguir (a entalpia e o volume são referidas a 1kg de ar A determinação da umidade absoluta pode ser feita com a equa- de ção dos gases perfeitos. Tanto o vapor de água como o ar podem ser admitidos como gases per- feitos nas aplicações usuais de condicionado. Ar pode ser admitido como um gás perfeito de porque sua temperatura é elevada em relação à temperatura de saturação, ao passo que o vapor de água tem comportamento de gás perfeito porque sua pressão é baixa em relação à pressão de saturação, 0 0 kg de vapor de água W = Temperatura, °C kg de seco Figura 3-4 A umidade absoluta, W, como ordenada.</p><p>50 Refrigeração e Condicionado e Transferência de Culor com Superficie 51 3-6 A Entalpia A entalpia de uma mistura de an seco e vapor de água é a soma das entalpias dos compo- Linha de saturação nentes. Os valores da entalpia são sempre referidos a um estado de referência. Assim, o é h do vapor superaquecido admitido com entalpia nula à temperatura de 0°C. Para o vapor de água estado de referência (valor nulo da entalpia) é o da água, líquido saturado a 0°C, coincidente com aquele das tabelas Linha isotérmica de vapor. Uma equação para a entalpia poderia ser escrita na forma: kJ/kg de an seco (3.3) onde Cp = calor à pressão constante do seco = 1,0 kJ/kg K Entropia, kJ/kg K = temperatura da mistura, °C hg = entalpia do vapor saturado à temperatura da mistura, kJ/kg. Figura A linha isotérmica mostra que a entalpia do vapor superaquecido é aproximadamente igual à entalpia do vapor saturado à mesma temperatura. A Eq. (3-3) proporciona resultados satisfatórios, embora passível de alguns refinamentos. calor específico, na realidade varia entre 1,006 a 0°C e 1,009 50°C. A entalpia do vapor de água, kg, foi determinada na condição de vapor saturado, embora o vapor da mistura esteja provavelmente superaquecido. Felizmente, esta hipótese acarreta erros significativos, como pode ser observado no diagrama de Mollier da Fig. Uma linha isoentálpica pode ser adicionada, neste ponto, à carta psicrométrica, como mostrado na Fig. 3-6. Assim, admita-se, por exemplo, que a linha de entalpia 95 kJ/kg deva ser traçada. Diversas temperatures podem ser escolhidas arbitrariamente resultando abso- lutas correspondentes para a entalpia 95 pela Eq. (3-3). Os pontos da carta psicrométrica representando as temperaturas e as umidades absolutas obtidas pelo procedimento acima deter- Linha isoentálpica minam a linha isoentálpica. Temperatura, Figura 3-6 Linha isoentálpica. Exemplo 3-2 Determine o ponto sobre a linha isoentálpica de 95 kJ/kg correspondente a uma temperatura de 50°C. 3-7 o Volume Solução: A equação dos gases perfeitos pode ser utilizada na obtenção do volunte da mistura. Este é definido como o volume em de mistura por kg de an seco, podendo também Da Tabela A-1, para resulta = 2592 kJ/kg. Da Eq. (3-3), para = 95 ser definido como o volume em do ar seco por kg de seco, uma vez que os volumes kJ/kg, obtém-se W ocupados pelas substâncias individualmente são iguais. Da equação dos gases perfeitos resulta (3-4) As linhas mostradas na carta psicrométrica da Fig. 3-1 na região limitada pelos eixos coor- denados e pela linha de saturação são linhas de temperatura de bulbo úmido constante, que Para determinar o lugar geométrico dos pontos de igual volume na carta psicrométri- se desviam levemente das linhas isoentálpicas; estas são mostradas na Fig. à esquerda da ca, por exemplo, basta substituir por 0,9 e introduzir o valor da pressão baromé- linha de saturação. A continuação dessas linhas pode ser encontrada nos eixos coordenados. o trica, na Eq. (3-4) e, para valores arbitrários de T, obter os valores correspondentes de Ps. Os procedimento para a obtenção da entalpia da carta psicrométrica será explicado posteriormen- pares determinam a linha de volume constante, como na Fig. 3-7. te.</p><p>52 Refrigeração e Ar Condicionado Psicrometria e Transferência de com Exemplo 3-3 3-8 Transferência Simultânea de Calor e Massa; a Lei da Linha Reta Qual é o volume de uma mistura de água cuja temperatura é de 24°C e a umidade relativa de à pressão barométrica padrão? A última propriedade psicrométrica a ser considerada é a temperatura de bulbo úmido. Antes de introduzir essa propriedade, entretanto, é interessante apresentar o problema da pare- de úmida no sentido de facilitar o entendimento do leitor. Nesse caso ocorre uma transferên- cia simultânea de calor e massa, resultando a lei da linha reta. Esta lei estabelece que, quando transfere calor e massa (vapor de água) de ou para uma superfície molhada, o estado do an na carta psicrométrica tende para a temperatura da superfície úmida sobre a linha de saturação. Quando o escoa sobre uma superfície úmida, como na Fig. 3-8 o estado do ar ao passar pur uma área diferencial dA varia do ponto 1 para o ponto 2 na carta psicrométrica da Fig. 3-9. A lei da linha reta estabelece que o ponto 2 está sobre a linha que passa pelo ponto 1 e pelo pon- to sobre a linha de saturação à temperatura da É evidente que quente no estado 1 tem a sua temperatura reduzida quando em contato Volume com a superfície da água a A umidade absoluta deve diminuir, uma vez que a pressão parcial específico do vapor é maior que a pressão de saturação da água a resultando em condensação de vapor constante de água contido no ar. interessante a ser notado neste processo é que as taxas de transferência °C de calor e massa são relacionadas de tal modo que o processo aparece como uma reta na carta psicrométrica. Esta característica é resultado do valor unitário do número de Lewis, um grupo Figura 3-7 Linha de volume específico constante. adimensional que será abordado na Seção 3-14. Solução Da Tabela A-1, a pressão parcial do vapor de água em saturado a 24°C é de 2,982 kPa. Logo, a pressão parcial do vapor para uma umidade relativa de 20% será dada por: Eq. (3-4) resulta 2 ar seco 101,300 596 Linha Este resultado coincide com o valor que seria obtido da Fig. reta Temperatura dA Figura 3-9 o tende ao estado sobre a linha de saturação à temperatura da úmida. Ar 2 3-9 Saturação Adiabática e Temperatura de Bulbo Úmido Temperatura saturador adiabático, mostrado na Fig. 3-10, é um dispositivo no qual ar escoa através Água de uma névoa de água. A água, circulada continuamente, é dispersa a fim de propiciar uma área tal de transferência de calor e massa que o deixa o dispositivo em termodinâmico com a água. As paredes do saturador são adiabáticas do mesmo modo que as linhas de circula- ção da água entre a bacia (reservatório) e o dispositivo de dispersão. A água que é evaporada no Figura 3-8 Ar escoando sobre uma superfície úmida. processo deve ser reposta por água à mesma temperatura daquela do reservatório.</p><p>54 Refrigeração e Condicionado Psicrometria e de Calor com Superficie 2 W2 Borrifo h2 Linha isoentálpica termodinâmico Isolamento Linha de temperatura de 2 bulbo úmido constante Temperatura de bulbo Ar o indica úmido a temperatura de Temperatura °C bulbo úmido termodinâmica Reposição Figura 3-11 Linha de temperatura de bulbo úmido termodinâmica constante. 3-10 Desvio entre as Linhas Isoentálpicas e as de Temperatura de Bulbo Úmido Constante Figura Saturação adiabática. Entalpias obtidas através das linhas de temperatura de bulbo úmido constante em cartas psicrométricas são maiores que as reais, como se mostra na Fig. 3-11. A carta psicrométrica da Uma vez atingido o regime permanente, a temperatura do reservatório indicada por Fig. 3-1 mostra linhas de temperatura de bulbo úmido ermodinâmica constante em vez das um termômetro de precisão é a denominada temperatura de bulbo úmido termodinâmica Uma isoentálpicas. Para a obtenção de valores precisos da entalpia deveriam ser utilizadas as escalas dada temperatura do reservatório poderia ser obtida por distintos estados do bastando para à esquerda da linha de saturação e nos eixos coordenados. sua determinação um balanço térmico no saturador. Assim, por unidade de massa do ar, o Para verificar o desvio da entalpia, considere-se o ar à temperatura de bulbo seco de 40°C balanço térmico proporciona e a umidade relativa de Da carta psicrométrica obtém-se para esse ar uma temperatura de bulbo úmido de (3-5) Para a leitura da entalpia basta fazer coincidir as linhas isoentálpicas das escalas à esquerda e à direita que passam pelo ponto que define o estado do (40°C e 41% de umidade relativa). code in é a entalpia do líquido saturado à temperatura do reservatório ou temperatura do bul- Procedendo-se desse modo obtém-se 89 kJ/kg. A Eq. (3-5) pode ser utilizada para a determinação da entalpia, desde que seja conhe- Na carta psicrométrica da Fig. o ponto situa-se abaixo da linha isoentálpica que cida a entalpia correspondendo ao ar saturado à mesma temperatura de bulbo úmido, passa pelo ponto 2. Qualquer condição do ar, como a do ponto por exemplo, que proporcio- ne a mesma temperatura do reservatório, diz-se possuir a mesma temperatura de bulbo úmido. A linha de temperatura de bulbo úmido constante é uma reta em razão da lei da linha reta. A linha reta entre os pontos 1 e 2 representa o processo pelo qual passa o ao atravessar o satu- onde = rador. W2 = 0,0241 kg/kg Nas cartas, como aquela da Fig. 3-1, são geralmente apresentadas as linhas de temperatura = a de bulbo úmido constante, raramente aparecendo as linhas isoentálpicas. A escala de entalpia à = 89,7 esquerda da linha de saturação se aplica ao saturado. Para o an não saturado, a escala à esquer- da da linha de saturação deve ser combinada com a escala de entalpia dos eixos coordenados. 3.11 o Termômetro de Bulbo Úmido desvio entre as linhas isoentálpicas e as de temperatura de bulbo úmido constante será explica- do a seguir. saturador adiabático da Fig. 3-10 não é um dispositivo conveniente para medidas Um tendo o seu bulbo coberto por uma mecha úmida, como na Fig. 3-12, seria mais adequado. Entretanto é necessário determinar se o termômetro de bulbo úmido realmente indica a temperatura de bulbo úmido termodinâmica. Como a área da mecha úmida é NT. Também denominada temperatura de saturação adiabática. finita, ao invés de infinita como no saturador adiabático da Fig. 3-10, a variação do estado do</p><p>56 Refrigeração e Condicionado e Transferência de com Molhada 57 Aquecimento 3 2 e umidifi- Resfriamento 2 cação 2 Umidificação Mecha adiabática úmida (b) Temperatura, °C (a) Figura 3-13 Aquecimento ou Figura 3-14 Umidificação. Figura 3-12 (a) A temperatura de bulbo úmido e (b) processo em uma carta psicrométrica. resfriamento sensível 2 A umidificação pode ser adiabática, como no processo 1-2 da ou com trans- em sua passagem pela mecha poderá representada pelo processo 1-2 da Fig. 3-12b. Um balanço de energia em torno do bulbo resulta em ferência de calor (diabática) como no processo 1-3 da mesma figura. 3 Um processo que envolva resfriamento e desumidificação resulta em uma redução da temperatura de bulbo seco e da umidade absoluta (Fig. equipamento que rea- Us pontos 1 e 2 estão sobre a mesma linha de temperatura de bulbo úmido o liza esse processo é a serpentina de resfriamento e desumidificação. Nesse problema agora é saber qual é a temperatura da água da mecha. Da lei da linha reta, partindo do to, a capacidade de refrigeração, em kW, é dada por ponto o estado do an evolui no sentido da linha de saturação à temperatura da superfície molhada. ponto 2 situa-se nessa linha, uma vez que se houvesse área úmida suficiente, o Capacidade = continuaria a evoluir sobre a mesma linha até atingir a saturação. onde in é em kg/s e h, e h2 em kJ/kg. Em seu trabalho pioneiro sobre psicrometria, admitiu que a temperatura da água no termômetro de bulbo úmido era igual à do saturador adiabático. em 1922, agrupou variáveis psicrométricas para formar um adimensional, ao qual foi dado o seu nome. Ele con- cluiu que se esse adimensional fosse unitário, a temperatura da mecha seria idêntica à da água SED espargida no saturador adiabático. Em 1933, demonstrou que, em atmosferas diferentes daquelas de e vapor de água, as indicações do termômetro de bulbo úmido e do saturador adiabático seriam diferentes. Assim, pode-se admitir que as temperaturas indicadas pelo metro de bulbo úmido e pelo saturador adiabático são podendo-se suprimir termo "termodinâmica" na temperatura de bulbo úmido. 2 Resfriamento e desumidificação 3.12 Processos Temperatura, Os processos com an úmido podem ser representados graficamente em uma carta psicro- métrica, onde podem ser facilmente interpretados. A carta também pode ser utilizada na deter- minação da variação de propriedades, tais como temperatura, umidade absoluta e entalpia que Figura 3-15 Resfriamento e desumidificação. ocorrem em processos. Alguns dos processos básicos, tais como aquecimento e resfriamento. umidificação diabática e adiabática, resfriamento e desumidificação, desumidificação química e mistura serão apresentados a seguir. 4 No processo de desumidificação química (Fig. 3-16) o vapor de água é absorvido ou Resfriamento e aquecimento referem-se à taxa de transferência de calor que provoca adsorvido por uma substância higroscópica. o processo ocorre adiabaticamente, somente uma variação da temperatura de bulbo A Fig. 3-13 mostra esses proces- a entalpia do se mantém. Assim, desde que a umidade absoluta do é reduzida, a onde não ocorre mudança na umidade absoluta. sua temperatura deve aumentar.</p><p>Refrigeração e Psicrometria e de Calor com As Eqs. (3-6) e (3-7) mostram que a entalpia final é a média ponderada dasentalpias das correntes que se misturam. o mesmo ocorrendo com a umidade absoluta final em relação às umidades absolutas das correntes que se Uma aproximação utilizada é a de que a temperatura resultante é a média ponderada das temperaturas das correntes de entrada. Esta aproximação permite localizar estado final da mistura na carta psicrométrica sobre o segmento que une os pontos representa- tivos dos estados das correntes de entrada. Além disso, a relação entre as medidas dos segmentos 1-3 e 2-3 é idêntica à relação entre as vazões erro cometido na aproximação acima se deve à variação do calor específico do úmido, sendo, para a desumidificação maioria dos casos. menor que 1% Temperatura, °C 3-13 Comentário Sobre a Referência à Unidade de Massa do Ar Seco Figura Desumidificação química. A entalpia, a umidade absoluta e o volume do an úmido foram referidos à uni- dade de massa do an seco, o que pode parecer estranho. Entretanto, tendo em vista os processos da Seção 3-12, pode se perceber a utilidade de referir as propriedades à unidade de massa do A mistura de duas correntes de an é um processo muito comum em condicionado. seco. Assim, nos processos representados nas Figs. 3-14 a 3-16, a massa total da mistura variava A Fig. 3-17a mostra a mistura de kg/s de an no estado 1 com kg/s de an no es- em virtude da adição ou extração de vapor. Se as propriedades referidas à unidade de tado 2. A mistura resultante encontra-se no estado 3, mostrado na carta psicrométrica massa de mistura, seria recalcular a vazão total após ocorrido o processo. Tal pro- da Fig. As equações fundamentais a serem aplicadas no processo são conserva- cedimento não é necessário quando as propriedades são referidas à unidade de massa de seco, ção de energia e de massa proporcionando uma vez que a vazão de seco permanece constante durante o processo (3-6) 3-14 Transferência de Calor Sensível e Latente em una Parede Úmida e conservação de massa, da qual obtém-se Quando o ar escoa ao longo de uma parede úmida, como se mostra na Fig. 3-18, é vel que ocorra uma transferência simultânea de calor sensível e latente. Se a temperatura da in + 2 = (3-7) superfície, for distinta da temperatura do ar, haverá transferência de calor. por outro lado, a pressão parcial do vapor na corrente de ar, Ps a for diferente da pressão parcial do va- por no an junto à superfície, haverá transferência de massa (vapor de Esta transfe- rência de massa determina uma transferência de energia, em virtude do calor latente necessá rio para a mudança de fase da água (condensação ou evaporação). Assim, se ocorre condensação do vapor de água do ar, calor latente deve ser removido da água. Se ao ocorre evapo- ração de água, então o calor latente deve ser fornecido. in 3 2 Ar 3 2 Água (a) dA (b) Figura 3-17 (a) Esquema do processo de mistura. (b) processo de mistura na carta psicrométrica. Figura 3-18 Transferência de calor e massa entre o an e uma superfície molhada.</p><p>60 Refrigeração e Condicionado Psicrometria e Transferência de Culor com Superficie Molhada 61 Pela equação da convecção, o calor sensível adicionado ao ar pela água é dado pela (3-9) obtém-se a expressão do calor total, trocado numa região elementar de área superfi- equação cial dA, (3-8) Introduzindo a equação de determinação de Eq. (3-10), resulta onde as = taxa de transferência de calor sensível, W = coeficiente de transferência de calor por convecção, K. A = área, A transferência de massa da superfície da água para o é proporcional à diferença de ou pressões parciais, Na seção 3-5 foi mostrado que a absoluta é aproximada- mente proporcional à pressão parcial do vapor, de modo que: Introduzindo a Eq. (3-11), resulta taxa de transferência de kg/s onde = constante de proporcionalidade, = umidade absoluta do ar saturado à temperatura da superfície (3-12) Como a transferência de massa acarreta uma transferência de calor, em virtude da conden- A sação ou evaporação, resulta: expressão é muito pequena em face dos outros termos, de modo que sua adição à Eq. (3-12) não altera significativamente os resultados. Assim, a Eq. (3-12) pode ser transfor- mada em (3-9) 91 = taxa de transferência de calor latente, W = calor latente de vaporização da água a J/kg. (3-13) Embora a determinação do valor do coeficiente de transferência de calor por convecção, A expressão no interior dos primeiros colchetes da Eq. é a entalpia do saturado à apresente algumas dificuldades, o valor da constante de proporcionalidade da transferência temperatura da superfície molhada, enquanto os segundos colchetes contêm a expressão da de massa, é de determinação mais difícil em virtude da escassez de resultados experimen- entalpia do ar na corrente livre. As unidades são kJ/kg de ar seco. Assim, tais. Afortunadamente os mecanismos de transferência de calor e de massa são semelhan- les, de modo que os coeficientes he e hD são simplesmente relacionados. Os detalhes de obten- ção dessa relação podem ser encontrados na referência 4. A relação pode ser escrita como: (3-14) (3-10) o nome potencial de entalpia tem origem na Eq. (3-14), uma vez que o potencial para a transferência de calor sensível e latente é a diferença entre a entalpia do saturado à tempera- tura da superfície molhada, e a entalpia da corrente de ar, onde Cpu é o calor específico do ar úmido, J/kg K. calor específico do ar úmido, pode ser obtido pela Eq. (3-11) Para condições calor específico do ar úmido é referido à unidade de massa do ar seco, sendo relaciona- reinantes em ambientes ocupados, o valor de pode ser adotado igual a 1,02 kJ/kg k. Assin, do com os calores específicos do ar seco e do vapor de água pela por exemplo, para ar a 25°C e 50% de umidade relativa, cp = 1,00 kJ/kg K, W = 0,011 kg/kg, 1,88, resultando = 1,0207 kJ/kg k. (3-11) 3-16 Conclusões a Partir do Potencial de Entalpia Potencial de Entalpia Além de propiciar a determinação das transferências de calor e massa em serpentinas de conceito do potencial de entalpia é útil na determinação do calor total (sensível la- resfriamento e desumidificação, condensadores evaporativos e torres de resfriamento, o poten- tente) trocado em processos onde há contato direto entre an e água. Combinando as Eqs. (3-8) cial de entalpia pode ser utilizado na determinação em que se dá a transferência do calor total.</p><p>62 Refrigeração e Condicionado Psicrometria e Calor com Superficie Molhada 63 As Figs. 3-19 a 3-21 ilustram três casos distintos. Assim, ar, no estado a, entra em contato com A Fig. 3-21 mostra uma situação interessante, onde ocorre transferência de calor da água, água a três temperaturas diferentes, correspondendo aos casos 1, 2 e 3. No caso 1: a uma temperatura mais baixa, para o ar. Entretanto, a segunda lei da termodinâmica não é violada, uma vez que a transferência de massa resultante da diferença de parciais do se dao do para água, uma vez que vapor de água deve ser considerada. dq, logo, das e dqL se dao do ar para a água. PROBLEMAS No caso 2: 3-1 Determine o volume específico de uma mistura ar-vapor, em /kg de seco, para as seguintes condições: 30°C, kg/kg e kPa. Resp.: dqs se dá do ar para a água porque se dá da água para o porque Uma amostra de ar apresenta uma temperatura de bulbo seco de 30°C e uma tempera- se dá do para a água porque tura de bulbo úmido de 25°C. A pressão barométrica é de 101 kPa. Usando as tabelas de vapor e as Eqs. (3-2), (3-3) e (3-5) determine: (a) a umidade absoluta se o ar é satu- Antes da apresentação do conceito de potencial de entalpia não era possível determinar rado adiabaticamente, (b) a entalpia do ar se este é adiabaticamente saturado; a de imediato o sentido de sem que se conhecesse os valores de e Com os valores de umidade absoluta da amostra pela Eq. (3-5); (d) a pressão parcial do vapor na amostra, e isso pode ser feito. e (e) a umidade relativa. Resp.: (a) 0,0201 kg/kg, (b) 76,2 kJ/kg, (c) 0,0180 kg/kg; (d) 2840 Pa, (e) No caso 3: 3-3 Utilize as umidades absolutas extraídas de carta psicrométrica para obter o se dá do ar para a água porque erro ao admitir as linhas isoentálpicas coincidentes com as de temperatura de bulbo se dá da água para o an porque úmido constante para ar, com temperatura de bulbo seco de 35°C e 50% de umidade se dá da água para o ar porque relativa. 3-4 Uma mistura ar-vapor apresenta uma temperatura de bulbo seco de 30°C e uma umida- de absoluta de 0,015. Para as pressoes barométricas de 85 e 101 kPa. Determine: (a) a entalpia e (b) a temperatura de orvalho. Resp.: (a) 68,3 e 68,3 kJ/kg, (b) 17,5 e 20,3°C. 3-5 Uma torre de resfriamento é um equipamento no qual an resfria água previamente borrifada. Se de a 35°C de temperatura de bulbo seco e 24°C de tempe- W W a ratura de bulbo úmido, a uma pressão atmosférica de 101 kPa, adentram uma torre, deixando-a saturado a 31°C: (a) até que temperatura essa corrente de pode resfriar água borrifada a 38°C e com vazão de 20kg/s? (b) quantos kg/s de água devem ser for- Temperatura de água Temperatura da água necidos para compensar a água que se evapora? (a) 31,3°C, (b) 0,245 kg/s. Temperatura, °C Temperatura, °C 3-6 de an a 27°C de temperatura de bulbo seco e 50% de umidade relativa, à pres- Figura 3-19 Caso a do ar para Figura 3-20 Caso 2, do ar para a são atmosférica padrão, adentram uma unidade de condicionamento de ar. an deixa água água. essa unidade com uma temperatura de bulbo seco de 13°C e umidade relativa de Usando propriedades extraídas da carta psicrométrica (a) determine a capacidade de refrigeração em kW e (b) determine a taxa de remoção de água do ar. Resp.: (a) 88 kW, (b) 0,0113 kg/s. 3-7 Em um sistema de ar condicionado uma corrente de an externo é misturada a outra de W de retorno à pressão atmosférica de 101 kPa. A vazão de ar externo é de 2kg/s e suas temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido são iguais a 35° e 25°C. de retorno, a 24°C e 50% de umidade relativa, apresenta uma vazão de 3kg/s. Determine (a) a en- talpia da mistura, (b) a umidade absoluta da mistura, (c) a temperatura de bulbo seco Temperatura da água da mistura a partir das propriedades determinadas nas partes (a) e (b), e (d) a tempera- tura da mistura pela média ponderada das temperaturas das correntes de Temperatura, °C Figura 3-21 Caso 3, 91 da água para o ar. Resp.: (a) 59,1kJ/kg; 0,01198 kg/kg; (c) 28,6°C; 28,4°C.</p><p>64 Refrigeração e Ar Condicionado 3-8 o ar entra em um compressor a 28°C, 50% de umidade relativa e 101 kPa de pressão. Após ser comprimido até 400 kPa, o ar passa por um resfriador intermediário, onde deve ser resfriado sem que ocorra condensação de vapor de água. Até que temperatura mínima o ar pode ser resfriado nesse trocador de calor? Resp.: 40,3°C. CAPÍTULO 4 3-9 Um sistema de condicionamento de ar de inverno fornece 0,0025 kg/s de vapor satura- do a 101 kPa para umidificar 0,36 kg/s de ar. o se encontra inicialmente a 15°C e 20% de umidade relativa. Quais devem ser as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmi- dificador? Resp.: 16,0 e 13,8°C. CARGAS TÉRMICAS DE AQUECIMENTO E REFRIGERAÇÃO 3-10 Para os très casos enumerados abaixo determine o valor, em W, e o sentido do calor sensível (3-8)], do calor latente [Eq. e do calor total (3-14)]. A área de transferência é igual a e = K. ar a 30°C e 50% de umidade rela- tiva entra em contato com água cuja temperatura é de (a) 13°C, (b) 20°C e (c) 28°C. Resp.: (a) (b) -45,0; 5,1;-29,6W; (c) -9,0; 116,5; REFERÊNCIAS 1. Carrier, W.H.: Rational Psychrometric Formulae, Trans. ASME, vol. 33, p. 1005, 1911. 4-1 Introdução 2. Lewis, K.: The Evaporation of a Liquid into a Gas, Trans. ASME, 44, 325, 1922. 3. W. The Evaporation of a Liquid into a Gas-A Correction, vol. 55, p. 1567, Os edifícios são construídos de forma a proporcionar um ambiente interno seguro e con- setembro 1933. fortável, independente das exteriores. Um projeto pode ser considerado satisfatório 4. Stoccker, W. F.: "Principles for Air Conditioning Practice," Industrial Press, Inc., New York, 1968. se propiciar a manutenção de internas favoráveis de um modo econômico. projeto da ventilação, aquecimento e an condicionado (VAAC) deve se originar no exame das caracteris- ticas das paredes que formam o envoltório, embora o controle das condições internas seja da responsabilidade do sistema de aquecimento ou resfriamento. As características mencionadas afetam a capacidade do equipamento e a energia necessária para sua operação. o objetivo principal deste capítulo é o exame das técnicas de avaliação das características térmicas de um edifício que afetam o projeto dos sistemas de VAAC utilizados na obtenção de Tendo em vista o objetivo do sistema, é interessante começar a análise por uma dis- cussão breve dos fatores que afetam o conforto, 4-2 Critérios de Conforto e Saúde corpo humano é um organismo com uma extraordinária capacidade de adaptação. Assim, desde que haja o tempo necessário de aclimatação, o corpo humano pode suportar condições térmicas bastante adversas. Entretanto, as condições externas de temperatura e umidade podem variar entre limites que ultrapassam a capacidade de adptação do corpo, exi- gindo um controle das condições internas de modo a propiciar um ambiente sadio e confortá- vel. 4-3 Conforto Térmico A Fig. 4-1 ilustra os fatores que afetam o conforto térmico. Calor é gerado por um pro- cesso metabólico no sentido de manter a temperatura do corpo. Os processos metabólicos 65</p><p>66 Refrigeração e Condicionado Cargas de Aquecimento e Refrigeração podem ser afetados por fatores, tais como idade, saúde e nível de Assim, por exem- Os parâmetros ambientais que afetam a liberação calor são: a temperatura do ar, a plo, um ambiente que envolva condições aceitáveis por uma pessoa saudável pode não ser satis- temperatura das superfícies circundantes, a umidade e a velocidade do A quantidade, o tipo fatório para uma pessoa doente. Além disso as pessoas mudam seus hábitos de vestir com as de vestimenta do ocupante do recinto e o seu nível de atividade interagem com os parâmetros estações do ano a fim de manter o conforto sob uma faixa mais larga de condições ambientais. acima. No projeto de um sistema de ar condicionado, entretanto, o objetivo é controlar os qua- tro parâmetros ambientais. Para uma pessoa trajando roupa apropriada, os seguintes valores são calor que é gerado continuamente pelo corpo deve ser eliminado a fim de' que a tempe- adequados: ratura interna se mantenha constante. Os distintos mecanismos pelos quais a temperatura é con- trolada foram descritos na Seção 2-19 e são mostrados na Fig. 4-1. Assim, uma pessoa em repouso, realizando um trabalho leve em um ambiente condicionado, elimina o calor gerado Temperatura operacional. 20 a 26°C internamente pelo corpo, principalmente por convecção (por meio do ambiente) e por radia- Umidade. Uma temperatura de orvalho de 2 a 17°C ção (por meio das superfícies circundantes a uma temperatura menor que a da superfície do Velocidade média do ar. Até 0,25 m/s. corpo). Cada um desses mecanismos é responsável por 30% do calor total eliminado. Os restan- tes 40% são eliminados pela respiração e transpiração. Essas porcentagens podem variar em fun- A temperatura operacional é aproximadamente a média aritmética da temperatura de ção das condições ambientais ou do nível de atividade. Assim, por exemplo, o mecanismo prin- bulbo seco e da temperatura radiante média, desde que este seja menor que 50°C e a velocidade cipal de liberação do calor para uma pessoa realizando um trabalho vigoroso deverá ser o da eva- do ar seja menor que 0,4 m/s* A temperatura radiante média é a temperatura superficial uni- poração de forme de um negro imaginário com o qual a pessoa troca a mesma quantidade de calor por radiação que com o invólucro real. Uma pessoa com vestimenta pesada pode sentir-se confortável em baixas temperaturas, ao passo que roupas leves e maiores velocidades de ar podem proporcionar conforto em ambientes de maiores temperaturas. As temperaturas das superfícies vizinhas têm tanta influência no conforto quanto a própria temperatura do ar, não Perda de calor podendo, portanto, ser desprezadas. Convecção Evaporação Radiação 4-4 Qualidade do ar A qualidade do an deve ser garantida em um ambiente interno que se pretenda seja são e As fontes de poluição podem ser tanto internas quanto externas. Em ambos os casos a qualidade do an pode ser garantida pela remoção do contaminante ou por sua diluição. Nesse sentido a ventilação exerce um papel muito importante. Ventilação definida como o mecanismo pelo qual o an é fornecido a um recinto, seja por meios naturais ou mecânicos. Em geral, o ar de ventilação é constituído de an externo e de ar recirculado. o externo tem por Atividade Fator de objetivo a diluição do contaminante. Na maioria dos casos a ventilação é realizada para elimi- Fatores Vestimenta Idade fisiológicos nar odores ou irritações da parte superior do canal resp em vez de eliminar contami- térmico Saúde nantes nocivos à saúde. No entanto, estes contaminantes não devem ser menosprezados. A referência 2 recomenda as quantidades de an de para diversas aplicações, bem como os métodos de obtenção das proporções entre ar externo e de Caso o nível de contaminantes no ar externo supere os padrões mínimos exigidos, devem ser adotados medi- das excepcionais, que no momento estão além dos objetivos deste texto. Assim, na discussão que se segue admite-se ar externo de qualidade satisfatória. A Tabela 4-1 apresenta recomen- dações de ar externo para três aplicações distintas. Como se pode observar nessa tabela, quanti- dades de ar externo muito maiores são necessárias em áreas de fumantes. Temperatura do ar Umidade relativa Temperatura Movimento superficial do ar Fatores de conforto térmico NT. o termo temperatura operacional é utilizado pela ASHRAE para designar a temperatura uniforme de um ambiente imaginário com o qual a pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por convecção Fig. Fatores que afetam o conforto térmico. e radiação que aquela trocada com o meio real.</p><p>68 Refrigeração e Ar Condicionado Cargas Térmicas de Aquecimento e Refrigeração 69 A ventilação é responsável por uma parte significativa da carga nos equipamentos de refri- Tabela 4-2 Eficiência na Remoção de Poeiras m) Segundo geração e Assim, a ocupação dos espaços e a sua ventilação devem ser cuidadosa- mente examinadas. Se, por exemplo, em uma parte do edifício são permitidos fumantes e em outras não, conclui-se que as taxas de ventilação não devem ser A possibilidade de Tipo de filtro Faixa de eficiência % Aplicações filtrar e limpar o ar, permitindo sua recirculação, deve também ser examinada. A recirculação de De ação viscosa 5-25 Remoção de poeiras e fiapos ar conserva energia quando o an externo encontra-se a temperaturas muito baixas ou muito Meio seco: altas. A norma recomenda o seguinte critério para determinação da taxa de recircu- Fibra de vidro, papel lação: de múltiplas camadas, mesmo que no caso anterior e algumas feltro de 25-40 aplicações industriais Malha de fibras de 3 a m e Sistemas de recirculação e de externo espessura de 6 a 20 mm 40-80 em edifícios Malha de fibras de 0,5 a Salas de cirurgia de hospitais, salas onde = taxa de suprimento de para ventilação, L/s m (geralmente vidro) 80-98 limpas, aplicações especiais = taxa de recirculaçao de ar, L/s Eletrostático 20-90 Partículas, tais como pólen ou = mínima taxa de externo para uma dada aplicação, como aquela da Tabela 4-1, nunca inferior a 2,5 L/s por pessoa. Tabela 4-1 Recomendações para o ar externo de ventilação 17,5 = Exigência de ar externo E 60/100 por pessoa, L/s Número de pessoas por Tipo de ocupação 100 de áre de piso Fumantes Não-fumantes Assim, 3,5 = 26,8 L/s por Escritórios 7 10 2,5 Embora no segundo caso a taxa de ventilação seja maior que no primeiro, o consu- Salas de reunião e 60 17,5 3,5 mo de energia deve ser menor, uma que a taxa de externo foi reduzida. de espera Se a contaminação do tipo fumaça de tabaco, odor, umidade ou alta concentração de 30 7,5 2,5 for resultante da ocupação do espaço por pessoas, a ventilação não se faz necessária duran- te períodos de não ocupação. Se, entretanto, outras fontes de contaminação existirem, tais Por outro lado, como equipamentos ou processos, emanação de gases de materiais ou produção natural de rado- nio, um nível adequado de ventilação deve ser mantido durante os períodos de não ocupação. Cada um dos fatores que afetam o conforto deve ser considerado durante o projeto de um onde taxa de ar externo para uma dada aplicação, da Tabela 4-1, L/s sistema de condicionado. Esses fatores afetam a capacidade e o controle do sistema, bem E = eficiência de remoção do dispositivo de filtragem do ar, que pode ser determinada como o projeto e a disposição do sistema de dutos ou de unidades terminais. Assim, por exem- em termos do contaminante a ser removido. A Tabela 4-1 fornece valores aproxima- plo, a colocação de unidades de aquecimento sob janelas ou ao longo de uma parede exterior dos da eficiência na remoção de partículas da ordem de m. pode cancelar os efeitos proporcionados pelas baixas temperaturas dessas superfícies. Exemplo 4-1 Determine as taxas de ventilação, de externo e de ar de recirculação para a sala de 4-5 Estimativa das Trocas Térmicas conferência de um edifício de escritórios se for permitido fumar. Um dispositivo de lim- peza do com E = 60% para filtragem da fumaça de tabaco deve ser considerado. A transferência de calor através das paredes de um edifício depende do material; de aspectos geométricos como tamanho, forma e orientação; da ocorrência de fontes internas de Solução: calor, e de fatores climáticos. O projeto do sistema exige que cada um desses fatores seja estuda- do e que suas interações sejam cuidadosamente avaliadas. A Tabela indica que seriam necessários 17,5 L/s de ar externo por pessoa para ventilar o espaço em questão, sem a ocorrência de recirculação. A mesma tabela recomen- objetivo principal do cálculo das trocas térmicas é a estimativa da capacidade dos da 3,5 L/s de externo por pessoa para regiões de não fumantes. Esta é a taxa mínima SOS componentes do sistema, necessária para manter um determinado nível de conforto permissível. Duas são as soluções possíveis: (a) 17,5 L/s de externo por pessoa, ou (b) ambiente. Esses cálculos baseiam-se em condições ambientais próximas dos extremos normal obter a taxa permissível de que pode ser recirculado e a taxa de correspon- mente encontrados. As condições externas padrão de projeto para a temperatura, a umidade dente como segue: insolação podem ser encontradas em manuais.</p><p>Cargas de Aquecimento e Refrigeração 71 70 Refrigeração e Condicionado Embora uma série de procedimentos tenham sido desenvolvidos para o cálculo da carga 4-6 Condições de Projeto térmica, aqui será adotado aquele proposto pela Salvo pequenas diferenças, todos os métodos baseiam-se na determinação, de maneira sistemática, dos fatores que afetam as tro- As condições de projeto geralmente especificadas no cálculo das cargas térmicas de aque- cas térmicas, que são divididos em quatro categorias (cargas) (Fig. 4-2): cimento são as temperaturas de bulbo seco interna e exte Para aquecimento, uma tempera- tura interna de 20 a 22°C normalmente admitida, enquanto que uma temperatura variando Transmissdo: entre 24 e 26°C é razoável no caso de resfriamento. A umidade relativa é limitada a um míni- mo de 30% no inverno e a um máximo de 60% no verão. Para aquecimento o critério de 97,5% Transferência de calor devido diferença de temperatura por meio do componente ou para a temperatura externa é geralmente adotado, o que equivale a considerar um valor de pro- elemento do edifício. jeto da temperatura externa que é igualado ou superado a 97,5% do tempo durante os meses mais frios. Nessas condições o externo é considerado saturado. Solar As condições para a determinação da carga de resfriamento são de especificação mais difícil, exigindo a definição da temperatura de bulbo seco, da umidade e da intensidade de Transferência de energia solar através de um componente do edifício que seja transparen- radiação solar. As condições limite para a carga de resfriamento estão relacionadas com os extre- te, ou absorção dessa energia por um componente mos da intensidade de radiação solar em vez da temperatura de bulbo seco externa. Assim, é necessário realizar alguns cálculos preliminares para diferentes horas do dia, ou dias do ano, para Infiltração obter a carga térmica de resfriamento máxima. A carga térmica de resfriamento depende da localização geográfica e da orientação do recinto enfocado. Assim, por exemplo, a intensidade Perda ou ganho de calor pela infiltração de ar externo no recinto condicionado. de radiação solar máxima de um recinto com face para o leste pode ocorrer às 8:00 horas da manha, ao passo que para um espaço que tenha face para o oeste esse máximo poderá se dar Geração Interna às 16:00. Para recintos com face para o norte*, a intensidade de radiação máxima ocorre durante o inverno, ao invés do A carga térmica máxima (de pico) de um sistema de refrigeração Resultante da liberação de energia no interior do recinto (luzes, pessoas, equipamentos que serve uma série de recintos com diferentes faces poderá ocorrer em um instante diferente etc.) daquele para o qual ocorre o pico nos distintos espaços. Felizmente, depois de alguns cálculos, é fácil antever as horas prováveis de carga térmica máxima. A Tabela 4-3 fornece as temperaturas externas de projeto de algumas localidades. A Infiltração tabela fornece as temperaturas de acordo com o critério de 97,5% para o inverno e de acordo Solar com o critério de 2,5%, além da temperatura de bulbo úmido correspondente no critério de 2,5% tem por base uma temperatura que é excedida somente 2,5% das horas durante os meses de junho a setembro. A temperatura de bulbo úmido média correspondente é a média das temperaturas de bulbo úmido que ocorrem nas condições em que se dão as temperaturas Transmissão de bulbo seco no critério 2,5% As Tabelas a 4-12, que apresentam dados sobre insolação, serão analisadas quando da discussão da carga térmica solar através de janelas e da transmissão através de paredes e Interna Solar Exemplo 4-2 Escolha as temperaturas interna e externa de projeto para um edifício a ser cons- truído em Denver, Infiltração Solução Figura 4-2 Fatores que afetam as cargas térmicas Da Tabela 4-3, para condições de verão: Temperatura de bulbo seco de projeto de verão = 33°C Como resultado das trocas térmicas a temperatura do recinto variará, a menos que o equi- Temperatura de bulbo úmido correspondente = 15°C pamento de refrigeração ou aquecimento opere no sentido de manter a temperatura em um nível desejado. Nas seções seguintes apresentar-se-á, em linhas gerais, os procedimentos para avaliar cada uma das parcelas que compoem a carga térmica. Mais detalhes podem ser encontra- NT. Para o hemisfério sul. dos na 4.</p><p>72 Refrigeração e Condicionado Cargas Térmicas de Aquecimento e Refrigeração 73 Tabela 4-3 Temperaturas de projeto para distintas localidades Deve-se observar que a temperatura interna de projeto somente limita as condições que podem ser mantidas durante circunstâncias ambientais extremadas. Assim, durante a operação do sistema de aquecimento, se a temperatura externa é superior à de projeto, uma temperatura Inverno Verão maior que 20°C poderá ser mantida no interior, se desejado. 2,5% bulbo seco/ 4-7 Transmissão Térmica bulbo úmido Média diária Cidade 97,5% bulbo seco, °C °C de agosto, °C A transmissão de calor através da estrutura pode ser pela Eq. (2-12): Albuquerque, N. Mex. 9 33/16 24 Atlanta, Ga. 33/23 26 Boise, Idaho -12 34/18 22 = Boston, -13 31/22 22 tot Chicago, III. -18 33/23 23 Columbus, Ohio -15 32/23 23 onde UA = W/K Dallas, Tex. 36/24 29 = resistencia térmica total, K/W Denver, Colo. -17 33/15 22 El Paso, Tex. U = coeficiente global de transferência de calor, K 37/18 27 Great Falls, Mont. -26 31/16 A = área superficial, 19 Houston, Tex. 0 34/25 28 diferença entre as temperaturas externa e interna, K Las Vegas, Nev. 41/18 31 Los Angeles, Calif. 4 32/21 21 Para estimativas de carga térmica de aquecimento a diferença de temperatura pode ser Memphis, Tenn. 8 35/24 27 Miami, Fla. obtida com base em uma temperatura externa calculada a partir do critério 8 32/25 28 Minneapolis, Minn. -24 37/23 22 O coeficiente global de transferência de U, depende das resistências térmicas, como New Orleans, La. 33/26 28 foi anteriormente discutido no Cap. 2. A Tabela 4-4 (pág. 75) fornece valores da New York, N.Y. 32/23 24 Ariz. térmica referida a I de área superficial de materiais de construção, espaços confinados de an 42/22 32 Pittsburgh Pa. -14 31/22 e superfícies externas de edifícios. o Exemplo 4-3 ilustra o cálculo de U para uma parede típi- 22 Portland, Oreg. 30/20 20 ca. As áreas utilizadas são áreas internas Sacramento, Calif. 0 37/21 26 Salt Lake City, Utah -13 35/17 24 Exemplo 4-3 San Francisco, Calif. 4 22/17 17 Seattle, 28/19 18 Determine a resistência térmica total referida à unidade de área da seção de parede Spokane, Wash. -17 32/17 20 mostrada na Fig. St. Louis, Mo. -13 34/24 25 Washington, D.C. 33/23 25 Belém 22 32/26 Belo Horizonte 10 29/24 - Brasflia 11 31/24 - Curitiba 3 29/23 Ar externo Fortaleza 21 32/26 Tijolo estrutural, 90 mm Porto Alegre 4 33/24 Recife 21 31/25 Espaço de Rio de Janeiro 16 33/26 Salvador 20 Blindagem (revestimento), placa de fibra 13 mm 31/26 São Paulo 8 29/23 Isolamento térmico, fibra mineral 75 mm Espaço de Revestimento de gesso, 13 mm Admitindo que não haja exigências internas especiais, Ar interno uma temperatura interna de projeto de 25°C e uma umidade relativa de 60% podem ser escolhidas. Para o inverno, da Tabela 4-3, uma temperatura externa de -17°C pode ser admitida e, desde que não haja exigências internas especiais, a temperatura e a umidade relativa podem ser iguais a 20°C e 30%, respectivamente. Figura 4-3 Parede do Exemplo</p><p>Cargas Aquecimento e Refrigeração 75 74 Refrigeração e Ar Condicionado Tabela 4-4 Resistência térmica referida à unidade de área de diversos tipos de materiais utiliza- Solução dos em construções, à temperatura média de 24°C* A Tabela pode ser utilizada na obtenção das seguintes resistências: Película de an externo 0,029 K/W Tijolos aparentes 0,068 Exteriores Espaço de 0,170 Placa de fibra de 13 mm (revestimento) 0,232 Tijolo aparente 0,76 Tijolo comum Isolamento de fibra mineral de 75 mm 1,940 1,39 Pedra 0,170 0,55 Espaço de Bloco de concreto, à base 0,18 Revestimento de gesso de 13 mm 0,080 de areia e cascalho, 200mm 0,38 Película de interno 0,120 Mistura leve. 200mm 0,29 150mm 2,809 k/W 1,39 Estuque 0,04 Laterais, de cimento-amianto, 6mm 0,14 No caso de porões (espaços abaixo da superfície do solo) não condicionados, a perda de Isolamento à base de 13mm 0,10 Madeira compensada, 10mm calor através das superfícies é geralmente desprezada. As cargas térmicas de aquecimento são 0,32 Alumínio ou aço, com placa iso- determinadas com base em uma estimativa da temperatura desses espaços, com a qual se deter- lante, 10mm mina a transmissão de calor através do piso superior. Se o porão deve ser condicionado, as Revestimento perdas de calor devem ser determinadas com base na resistência térmica das paredes e do piso, na temperatura interna a ser mantida e em uma estimativa da temperatura do solo adjacente. Para construções com piso concretado, a perda de calor é aproximadamente proporcional Madeira compensada 8,66 Placas de fibra, densidade normal, 13mm 0,23 ao perímetro do piso, ao invés de sua área superficial. Assim, Placas de madeira aglomerada a alta temperatura, 9,49 Placas de madeira aglomerada com resina 7,35 Telhados Telha plana de madeira ou ardósia à base de asfalto (típica nos 0,08 Pouco se sabe sobre os valores de F para pisos grandes. Valores típicos para aplicações residen- Estados Unidos da ciais são fornecidos na Assim, F = 1,4 W/m K para extremidades não isoladas e Telhado pré-moldado, 10mm 0,06 F = 0,9 W/m K para um piso com 2,5 cm de isolamento nas extremidades. Esses valores devem Concreto ser considerados como uma aproximação e são um tanto elevados. À base de areia e cascalho 0,55 Agregado leve 1,94 4-8 Cargas de Ventilação e de Infiltração Materiais isolantes A penetração de externo no recinto afeta tanto a temperatura do como sua umidade. Manta de fibra 75-90mm 1,94 135-165mm É comum na prática fazer a distinção entre esses dois efeitos. Assim, o efeito sobre a tempera- 3,35 Laje, placa de com ligante orgânico tura denomina-se calor ao passo que aquele sobre a umidade é denominado calor Poliestireno expandido, extrudado 27,7 latente. Essa terminologia se aplica também às outras cargas. Assim, por exemplo, a transmis- Poliuretano celular 43,8 são de calor através da estrutura e a insolação são cargas uma vez que elas afetam a Enchimento, fibra mineral, 160mm 3,35 temperatura, enquanto que cargas internas originárias da ocupação do recinto por pessoas à base de material celulósico 21,7-25,6 apresentam tanto componentes sensíveis quanto latentes. A perda ou ganho de calor devido à Materiais de Interiores penetração de an externo pode ser calculada por meio das expressoes, Estuque, 15mm 0,08 16mm 0,10 Rebocos, à base de cimento 1,39 à base de gesso, leve, 16mm 0,066 Madeira, macia (pinho, abeto etc.) 8,66 onde = vazão em volume de externo, L/s dura (carvalho, bordo etc.) 6,31 W = umidade absoluta, kg de vapor de água/kg an seco</p><p>Cargas Térmicas de Aquecimento e Refrigeração 76 Refrigeração e Ar Condicionado ção das superfícies externas, adotando ou portas giratórias ou mantendo a pressão Tabela 44 Resistência térmica referida à unidade de área de diversos tipos de materiais interna do edifício algo superior à externa. Em edifícios não dotados de ventilação mecânica ou utilizados em construções, à temperatura média de quando o sistema de ventilação não estiver operando, é impossível evitar a A vazão K/W de ar devido à infiltração é de difícil determinação, variando com a qualidade de construção, com a direção e velocidade do vento, com a diferença entre as temperaturas interna e externa e, Espaços de Ar finalmente, com a pressão interna reinante no edifício. Um procedimento adotado na prática é estimar a infiltração em termos do número de renovações de por hora. Uma renovação de ar Superfície, parado (emissividade da superfície igual a 0,9), hori- 0,11 zontal, fluxo de calor no sentido ascendente por hora é uma vazão numericamente igual ao volume do espaço. O número de renovações por Horizontal, fluxo de calor no sentido descendente 0,16 hora para um edifício de pequeno porte, sem pressurização interna, pode ser estimado em ter- Vertical, fluxo de calor horizontal 0,12 mos da velocidade do vento e da diferença de Superfície, em movimento, aquecimento, 6,7 m/s 0,029 Superfície, em movimento, resfriamento 3,4 m/s 0,044 Espaço de com emissividade superficial de 0,8, horizontal vertical 0,14 emissividade superficial de 0,2, 0,17 Horizontal 0,24 Vertical 0,36 Tabela 4-5 Constantes para a equação de infiltração, Eq. Vidro Plano Qualidade da construção a b Verão Inverno Boa vedação 0,15 0,010 0,007 Média 0,20 0,015 0,014 Vidro simples 5,9 6,2 Má vedação 0,25 0,020 0,022 Folha dupla, 6mm de espaço de 3,5 3,3 13mm de espaço de ar 3,2 2,8 Folha tripla, 6mm de espaço de 13mm de espaço de 2,5 2,2 Janelas especiais para resistir a altas velocidades de vento, espa- 2,2 1,8 de de 25-100mm 2,8 2,3 Inclui as resistências superficiais do em ambos os lados Número de renovações de A infiltração é definida como a penetração não controlada de externo no recinto, sen- do resultante de "forças naturais", como por exemplo, o vento e o efeito de empuxo resultante onde a, b, constantes experimentais da diferença de temperatura entre o exterior e o interior. Em termos do presente texto, = velocidade do vento, m/s ventilação referir-se-á à entrada intencional de externo no edifício, realizada por meios mecânicos. Evidentemente, o que entra deve sair, quer por meios naturais, como as fugas, Valores típicos das constantes são apresentados na Tabela 4-5. quer por meios mecânicos, como exaustores. Para edifícios não residenciais é comum estimar-se a infiltração para cálculo da carga térmica Em certos edifícios (comerciais e governamentais) é aconselhável o controle da entrada de sob condições em que os ventiladores do sistema de ventilação permanecem parados. Como externo de ventilação para minimizar a utilização de energia. Como a infiltração não é exemplo pode-se citar o projeto de um sistema de aquecimento que mantenha uma temperatura controlada, esses edifícios são projetados de maneira a limitá-la a um mínimo, fazendo a veda- mínima durante a noite, quando o edifício não é ocupado. A vazão volumétrica de externo necessária para ventilação pode ser obtida na Tabe- la 4-1. Os métodos de cálculo foram apresentados na Seção Uma pressão interior levemen- te superior à externa pode ser obtida dimensionando os exaustores para uma vazão de infe- rior proporcionada pelo sistema de ventilação. Os exaustores são geralmente locali- zados em banheiros, salas de máquinas ou cozinhas para evitar que o ar e o odor desses locais NT. Os materiais apresentados nessa tabela são típicos dos Estados Unidos. Diferenças significativas seja recirculado pelo Os Capítulos 5 e 6 fornecerão maiores informações sobre o proje- poderão ser encontradas em relação aos materiais de contrução de uso corrente no to do sistema de distribuição do ar. Deve-se observar nesta altura que, embora o an externo do</p><p>78 Refrigeração e Condicionado Térmicas de Aquecimento e Refrigeração 19 sistema de ventilação imponha uma carga adicional no sistema de aquecimento ou refrigeração, curto espaço de tempo. Uma alternativa seria dimensionar o equipamento com capaci- essa carga se dá no ponto (equipamento) onde o é condicionado e não no recinto. Assim, é dade normal e acionar o sistema com tempo suficiente para permitir o aquecimento necessário diferenciar as cargas térmicas no equipamento e aquelas usadas na determinação da gradual do edifício. vazão de an necessária nos distintos espaços condicionados do edifício. 4-10 Componentes da Carga Térmica de Resfriamento 4-9 Resumo do Procedimento para a Estimativa das Cargas Térmicas de Aquecimento A estimativa da carga de refrigeração é mais complexa que de aquecimento. Assim, a Na estimativa da carga térmica de aquecimento de um edifício é interessante organizar o seguir desenvolver-se-ão com mais detalhe as cargas devido à geração interna de calor, as cargas procedimento em uma programação "passo a passo", um resumo da qual é apresentado a latentes e as resultantes da insolação. seguir: 1. Escolher os valores das condições externas de projeto para inverno (de acordo com o cri- 4-11 Carga Resultante da Geração Interna de Calor tério 97,5%) da Tabela 2. Escolher uma temperatura de projeto adequada para o interior correspondendo às ativi- As principais fontes de geração interna de calor são luzes, ocupantes e equipamentos de dades que serão desenvolvidas no recinto, e a uma umidade relativa mínima. operação interna. As cargas resultantes da geração interna de calor são significativas em ediff- 3. Averiguar possíveis condições especiais, como espaços adjacentes não condicionados, cios A quantidade de calor ganha pelo espaço proveniente das lámpadas depende da estimando a seguir as suas temperaturas de projeto. potência delas e do tipo de conexão elétrica No caso de uma lâmpada fluorescente a 4. Determinar os coeficientes de transferência de calor e as áreas das paredes de cada recinto energia dissipada pelo reator deve ser considerada na carga Como a carga resultante da do edifício com base no seu projeto. Paredes que se comunicam com espaços da mesma iluminação é significativa, a sua estimativa deve ser feita com A parcela de calor libe- temperatura, como paredes interiores, devem ser ignoradas. rado pelas lâmpadas na forma de radiação não representa uma carga do sistema de A energia radiante proveniente das é inicialmente absorvida pelas 5. Tendo como base as características do edifício, projeto e operação do sistema, velocidade paredes, piso e mobília do recinto, elevando a temperatura desses componentes a uma taxa que do vento e a diferença entre as temperaturas interna e externa estimar a taxa de infiltra- depende de sua massa. medida que a temperatura superficial aumenta, o calor trocado por ção e/ou de ventilação com externo. Observar que a carga latente resultante da infil- convecção o ambiente também é aumentado, passando constituir uma carga do sistema tração ou da ventilação deve ser incluída somente se o ar a ser condicionado for umidifi- de ar Assim, em virtude da massa dos componentes que absorvem a cado; a fim de manter a umidade interna superior a um nível mínimo. Em regiões de cli- proveniente das lámpadas, ocorre um retardamento entre instante de acionamento das luzes e mas amenos a umidificação do pode ser ignorada. a liberação da energia por elas dissipada para o sistema. Pela mesma razão a carga térmica resul- 6. Com os dados acima obtidos, determinar a perda de calor em cada superfície envoltória tante das lâmpadas persiste mesmo quando elas são desligadas. Na estimativa da carga térmica do edifício e perda de calor por infiltração e/ou A adição dessas duas parce- produzida pelas os aspectos acima relatados devem ser incluídos, resultando a seguin- las proporcionará a perda de calor total estimada e a capacidade necessária para o equipa- te mento de calefação. 7. Considerar condições particulares que possam afetar o tamanho do equipamento, tais q = (potência nominal da lâmpada) (Fr) (FCR) como: onde = fator de utilização ou fração das lâmpadas instaladas que são realmente opera- a A possibilidade de um edifício possuir um sistema de aproveitamento da e de das armazenamento Neste caso, as capacidades do equipamento devem ser basea- Fr = fator do reator para lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria destes sistemas das na perda de calor dinâmica ao invés da estática, sugerida anteriormente (veja Cap. FCR = fator de carga térmica de refrigeração da Tabela 4-6 20). A Tabela 4.6 fornece valores do fator de carga térmica de refrigeração para dois tipos comuns b. A possibilidade do edifício apresentar geração interna de calor contínua, quando a de conexões elétricas, para lâmpadas operando 10 e 16 h/dia. Detalhes sobre distintas cone- perda de calor máxima por transmissão e ventilação deverá ser corrigida para levar em massa do piso e períodos de operação podem ser encontrados na literatura 4,6 conta essa geração interna, resultando um equipamento de menor capacidade. Um hos- pital ou um edifício industrial que opere 24 h poderiam ser enquadrados neste caso. No caso de equipamento que dissipe energia é necessário estimar a sua potência e o perío- do e/ou frequência de utilização, como foi feito no caso da iluminação. Para equipamento que A possibilidade de que o edifício não seja ocupado continuamente, permitindo-se que irradie pouco, o FCR deve ser igual a 1,0. as temperaturas internas diminuam durante os períodos de não ocupação. Neste caso, o equipamento deveria ser dimensionado com uma capacidade adicional para permitir A Tabela 4-7 apresenta a carga proveniente dos ocupantes em função de sua atividade. A que as temperaturas do e das superfícies internas atingissem níveis adequados em principal incerteza nessa estimativa consiste no número de ocupantes. Se o número de ocupan-</p><p>80 Refrigeração e Condicionado Cargas Térmicas de Aquecimento e Refrigeração 81 Tabela 4-6 Fatores de carga térmica de refrigeração para tes for desconhecido, as sugestões da Tabela 4-8 podem ser adotadas. Como uma parte do calor liberado pelos ocupantes é por radiação, a ASHRAE recomenda o uso do fator de carga de refri- geração para a obtenção de uma melhor estimativa da carga térmica. A Tabela 4-9 fornece esses Conexão t Conexão fatores. Assim, Horas após o horas de operação horas de operação acionamento Carga sensível de resfriamento devido a ocupantes = (calor recebido por ocupante da das luzes 10 16 10 16 Tabela 4.7) X (número de pessoas) X (FCR da Tabela 4-9). Para a carga latente FCR é igual a 1,0. 0 0,08 0,19 0,01 0,05 0,62 0,72 0,76 0,79 A carga térmica resultante da geração interna de calor é significativa e, portanto, deve ser 2 0,66 0,75 0,81 0,83 avaliada cuidadosamente, apesar das incertezas envolvidas no 3 0,69 0,77 0,84 0,87 4 0,73 0,80 0,88 0,89 5 0,75 0,82 0,90 0,91 6 0,78 0,84 0,92 0,93 4-12 Carga Térmica de Insolação Através de Superfícies Transparentes 7 0,80 0,85 0,93 0,94 8 0,82 0,87 0,95 0,95 A transferência de calor resultante da insolação de uma superfície depende das 9 0,84 0,88 0,96 0,96 ticas físicas dessa superfície. As propriedades óticas de uma superfície são relacionadas pela 10 0,85 0,89 0,97 0,97 11 0,32 0,90 0,22 0,98 equação 12 0,29 0,91 0,18 0,98 13 0,26 0,92 0,14 0,98 14 0,23 0,93 0,12 0,99 15 0,21 0,94 0,09 0,99 16 0,19 0,94 Tabela 4-8 Espaço ocupado por 0,08 0,99 17 0,17 0,40 0,06 0,24 18 0,15 0,36 0,05 0,20 Espaço Espaço Recomendado Residência 2-6 ocupantes Descrição das conexões: X, lâmpadas embutidas sem ventilação. A alimentação e o retorno do ar são Escritório 10-15 por pessoa posicionados abaixo ou na superfície do forro. Y, lâmpadas aparentes (penduradas) e ventiladas. As Loja 3-5 por pessoa bocas de insuflamento do estão localizadas na superfície do forro ou abaixo dele e as bocas de Escola 2,5 por pessoa retorno ao redor das conexões elétricas através do espaço do forro. Sala de Conferências 1,0 por pessoa onde = transmissividade = refletividade = absortividade valor de cada uma dessas propriedades afeta significativamente a transferência de calor por Tabela 4-7 Calor proveniente dos ocupantes insolação. Para superfícies transparentes, como a janela da Fig. 4-4, a energia solar que atravessa a Calor sensível superfície, em Watts, é dada por: Atividade Calor liberado, W liberado, % Sono 70 75 (4-2) Sentado, quieto 100 60 Em pé 150 50 Andando, 3 km/h 305 35 Trabalho de escritório 150 55 onde = irradiação da superfície exterior, Aula (professor) 175 50 N = fração da energia solar absorvida que é transmitida para o ambiente interno por con- Loja 185 50 dução e convecção. Trabalho industrial 300-600 35 he = coeficiente de transferência de calor na superfície externa,</p>