Notas de aula

REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO

Prof. Humberto A. Machado

Departamento de Mecânica e Energia – DME

Faculdade de Tecnologia – FAT

UERJ – Resende

Março de 2009

(3a Edição revisada)

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NOTA DO AUTOR

Estas notas são um resumo para acompanhamento das aulas. Foram criadas especificamente para a disciplina de Refrigeração do Curso de Engenharia de Produção/ênfase Mecânica da FAT/UERJ. A 1a edição foi disponibilizada em março de 2005. A 2a edição (março de 2007) inclui algumas passagens novas, maior detalhamento em outras e revisão na solução dos exercícios. A 3a edição, além das modificações anteriores, inclui um exercício prático de cálculo da carga térmica e dimensionamento de sistema de ar-condicionado. Para acompanhamento do curso, tenha sempre em uso a edição mais recente. Em nenhum momento esta apostila pretende substituir os livros textos consagrados sobre o tema. Também não deve ser considerada roteiro para provas e exames nem dispensa a presença e a atenção ao conteúdo dado em sala. Sua função é unicamente fornecer um roteiro coerente com a seqüência didática adotada. Para os alunos que desejem se aprofundar no tema, sugere-se consultar a bibliografia selecionada. Resende, março de 2009.

Prof. Humberto A. Machado Departamento de Mecânica e Energia – DME

Faculdade de Tecnologia – FAT Universidade do Estado do Rio de Janeiro – UERJ

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ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................4

1.1. HISTÓRICO ..................................................................................................................4 1.2. APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO ...................................................................................4 1.3. O EFEITO DE REFRIGERAÇÃO ........................................................................................5 1.4. NOÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO ..................................................................................5 1.5. SISTEMAS DE UNIDADES ...............................................................................................7

2. PSICROMETRIA .............................................................................................................8

2.1. INTRODUÇÃO ...............................................................................................................8 2.2. CARTA PSICROMÉTRICA................................................................................................8 2.3. UMIDADE RELATIVA ....................................................................................................10 2.4. UMIDADE ABSOLUTA...................................................................................................10 2.5. ENTALPIA ..................................................................................................................11 2.6. VOLUME ESPECÍFICO..................................................................................................12 2.7. TRANSFERÊNCIA SIMULTÂNEA DE CALOR E MASSA ........................................................12 2.8. CALOR SENSÍVEL X CALOR LATENTE............................................................................13 2.9. SATURAÇÃO ADIABÁTICA E TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO TERMODINÂMICA .................14 2.10. TERMÔMETRO DE BULBO ÚMIDO ................................................................................15 2.11. PROCESSOS PSICROMÉTRICOS .................................................................................15 2.12. EXERCÍCIOS ............................................................................................................17

3. ANÁLISE DO CICLO DE COMPRESSÃO DE VAPOR ................................................31

3.1. SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO .....................................................................................31 3.2. O CICLO DE COMPRESSÃO A VAPOR.............................................................................32 3.3. MODIFICAÇÕES NO CICLO DE CARNOT .........................................................................36

3.3.1. Compressão úmida e seca ...............................................................................36 3.3.2. Processo de expansão .....................................................................................37

3.4. CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO A VAPOR ...................................................................37 3.5. PROPRIEDADES DOS REFRIGERANTES .........................................................................38 3.6. DESEMPENHO DO CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO A VAPOR .........................................39 3.7. TROCADORES DE CALOR ............................................................................................40 3.8. O CICLO REAL DE COMPRESSÃO A VAPOR ....................................................................41 3.9. EXERCÍCIOS ..............................................................................................................42

4. CLIMATIZAÇÃO ...........................................................................................................48

4.1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................48 4.2. CÁLCULO DA CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO EM UM SISTEMA DE ZONA SIMPLES ............48 4.3. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO.........................................................49 4.4. SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO DE ZONA SIMPLES ...........................................................50

4.4.1. Condicionadores de ar de janela ......................................................................50 4.4.2. Sistemas tipo Self-contained ............................................................................50 4.4.3. Sistemas tipo splits ...........................................................................................51 4.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller .............................................................................52

5. COMPONENTES DO SISTEMA ...................................................................................54

5.1. COMPRESSORES .......................................................................................................54 5.1.1. Compressores alternativos ...............................................................................55 5.1.2. Compressor rotativo .........................................................................................57 5.1.3. Compressores de parafuso ..............................................................................58 5.1.4. Compressores centrífugos................................................................................59

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5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol).......................................................................60 5.2. EVAPORADORES ........................................................................................................61 5.3. CONDENSADORES .....................................................................................................65 5.4. TORRES DE RESFRIAMENTO E CONDENSADORES EVAPORATIVOS ..................................68 5.5. DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO.......................................................................................70 5.6. LINHAS DE FLUIDO REFRIGERANTE...............................................................................74 5.7. ACESSÓRIOS .............................................................................................................74

6. NOÇÕES DE PROJETO DE CLIMATIZAÇÃO .............................................................76

6.1. PRINCÍPIOS ...............................................................................................................76 6.2. CONDIÇÕES DE PROJETO............................................................................................77 6.3. ESTIMATIVA DA CARGA TÉRMICA..................................................................................79

6.3.1. Parcelas da carga térmica ................................................................................80 6.3.2. Determinação da vazão total de insuflamento ..................................................92 6.3.3. Armazenagem ..................................................................................................93 6.3.4. Zoneamento......................................................................................................94 6.3.5. Aquecimento.....................................................................................................95 6.3.6. Sombreamento .................................................................................................95

6.4. EXEMPLO ..................................................................................................................97

7. VENTILAÇÃO .............................................................................................................103

7.1. DIMENSIONAMENTO DA REDE DE DUTOS.....................................................................103 7.1.1. Arbitragem de velocidades .............................................................................103 7.1.2. Método de igual atrito .....................................................................................105 7.1.3. Método da recuperação de pressão ...............................................................107

7.2. ESTIMATIVA DA PERDA DE CARGA ..............................................................................111 7.3. DISTRIBUIÇÃO DO AR................................................................................................118 7.4. VENTILADORES........................................................................................................124

7.4.1. Ventiladores centrífugos e suas características .............................................124 7.4.2. Leis dos Ventiladores .....................................................................................127

7.5. EXEMPLO ................................................................................................................129

8. REFRIGERANTES ......................................................................................................133

8.1. FLUIDOS PRIMÁRIOS E SECUNDÁRIOS.........................................................................133 8.2. TIPOS DE REFRIGERANTES PRIMÁRIOS .......................................................................133

BIBLIOGRAFIA...............................................................................................................135

ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES ...................136

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1. INTRODUÇÃO 1.1. Histórico

Na antiguidade, a refrigeração já era utilizada no preparo de alimentos. Gregos e romanos usavam escravos para extrair a neve do topo de montanhas e armazena-la em buracos na terra, onde era posteriormente empregada no preparo de alimentos gelados. Em 1626, Francis Bacon verificou que as baixas temperaturas permitiam conservar alimentos, enterrando galinhas na neve. Com a invenção do microscópio, em 1683, foi possível entender o mecanismo de deterioração dos alimentos. As temperaturas abaixo de 10º C colocavam os microorganismos responsáveis pela decomposição em estado de hibernação. Tal fato estimulou o comércio de gelo natural, que era distribuído através de longas distâncias, em navios e carroças isoladas com serragem, e armazenado nas residências em armários isolados chamados geladeiras. O processo de congelamento substituiu em grande parte o salgamento e a defumação. Devido à crescente demanda por gelo, e a dificuldade de sua distribuição, buscou-se uma alternativa para a produção de gelo artificial. Em 1755, Willian Cullen utilizou a evaporação de éter para congelar uma pequena porção de água, baixando a pressão para acelerar o processo. O sistema tinha a desvantagem de necessitar de reposição constante do éter. O problema foi resolvido cirando-se um circuito fechado onde o éter vaporizado era comprimido para se condensar novamente. Em 1834, Jacob Perkins patenteou o primeiro equipamento para produção de gelo. O primeiro sistema real de refrigeração foi construído pelo escocês James Harrison entre 1856 e 1857. Os progressos foram se sucedendo: o uso da amônia foi substituído pelos CFCs, e o primeiro refrigerador doméstico foi construído nos anos de 1920. O primeiro Ar condicionado foi criado por Joseph McCreaty em 1897. Willis H. Carrier foi o primeiro a conseguir o controle da temperatura e umidade em um ambiente, em 1906. Depois da 2ª Guerra Mundial, os equipamentos de refrigeração e condicionamento de ar se popularizaram. Atualmente, os principais campos de desenvolvimento dos sistemas de refrigeração envolvem aspectos energéticos (otimização do uso de energia) e ambientais (substituição dos CFCs por fluidos não danosos à camada de ozônio). Tem havido um aumento intensivo no emprego da eletrônica nos sistemas de controle desses equipamentos.

1.2. Aplicações da refrigeração - Ar condicionado em edificações de porte médio e grande: prédios comerciais e residenciais. - Climatização de ambientes industriais: aquecimento e resfriamento localizado, laboratórios ambientais, gráficas, têxteis, processos de alta precisão, salas limpas, produtos fotográficos, equipamentos eletrônicos, etc.

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- Ar condicionado residencial e veicular. - Armazenamento e distribuição de alimentos: por imersão, jato de ar, leito fluidilizado ou criogenia. - Processamento de alimentos. - Indústrias químicas e de processos. - Produção de gases industriais. - Aplicações específicas: bebedouros, desumidificadores, produção de gelo, etc.

Figura 1.1. Vista em corte de um refrigerador doméstico.

1.3. O efeito de refrigeração A refrigeração consiste basicamente em retirar calor de um corpo e rejeita-lo para o meio ou outro corpo a uma temperatura maior. A 2ª Lei da Termodinâmica estabelece que o calor só flui espontaneamente no sentido da menor temperatura. Assim, é preciso adicionar trabalho, através de um processo qualquer, para a remoção do calor. Esse é o princípio de todos os equipamentos de refrigeração. O corpo humano emprega o processo de evaporação para eliminar o excesso de calor e controlar sua temperatura. Sabe-se que a evaporação da água absorve muito mais calor do que o aquecimento da mesma quantidade de água de 0o C a 100º C. Assim, o corpo elimina água na forma transpiração, que retira o calor ao evaporar-se. Veremos que o mesmo efeito é empregado nos sistemas de refrigeração. 1.4. Noções de conforto térmico Segundo a ASHRAE (1997), conforto térmico é um estado de espírito que reflete a satisfação com o ambiente térmico que envolve uma pessoa. Segundo essa definição, o conforto térmico de um indivíduo é subjetivo. Num sistema de condicionamento de ar, deseja-se atender ao maior número de indivíduos possível.

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A sensação de conforto depende da facilidade com que o indivíduo estabelece o balanço térmico com o meio, para manter sua temperatura interna corporal em 37o C. Existem limites para a temperatura externa (da pele) e suor eliminado (máximo de 1 litro por hora). Fatores de conforto térmico: - Individuais: atividade, vestuário. - Ambientais: temperatura do ar, temperatura média radiante, velocidade do ar,

umidade relativa.

A transferência de calor pelo corpo se dá de quatro formas distintas:

Figura 1.2. Trocas térmicas entre o homem e o meio.

- Condução: usualmente desprezada. - Evaporação: pela exalação de vapor d’água, por perspiração insensível e pelo

suor. - Convecção - Radiação A avaliação dos ambientes é feita através de índices térmicos. Um dos primeiros foi a temperatura efetiva (TE). Foram estabelecidos índices diretos, cujo principal foi adotado pela legislação brasileira sobre higiene e segurança do trabalho (NR 15), e é o índice de bulbo úmido – temperatura de globo, IBUTG. Na literatura internacional é chamado WBGT (wet bulb globe temperature). A norma internacional para avaliação de ambientes à temperaturas moderadas é a ISO 7730.

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1.5. Sistemas de unidades São basicamente dois os sistemas de unidades usados atualmente: o sistema métrico e o sistema inglês (ainda empregado nos Estados Unidos). Dentro do sistema métrico, o mais difundido é o sistema formado por grandezas fundamentais conhecido como Sistema Internacional de Unidades (SI). Nas tabelas abaixo, são sumarizadas algumas das unidades desses sistemas, que estarão presentes neste texto, e os fatores de conversão.

Tabela 1.1. Unidades derivadas do SI para algumas grandezas.

Tabela 1.2. Fatores de conversão úteis.

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2. PSICROMETRIA 2.1. Introdução

• É o estudo das misturas ar-vapor.

• Em condicionamento de ar, considera-se o ar uma mistura de ar seco e vapor d’água, cuja quantidade pode variar de acordo com o processo, e que será denominada de ar úmido.

2.2. Carta psicrométrica

• São cartas que relacionam as diversas propriedades do ar úmido.

• A linhas de saturação corresponde ao lugar geométrico dos pontos em que ocorre condensação da água no ar.

• A interação entre as moléculas do ar e de água é considerada desprezível para

fins de cálculo psicrométrico.

• Quando o ar se encontra sobre a linha de saturação, é chamado ar saturado. Nesse caso, qualquer redução da temperatura causará condensação da água nele contida.

• Na figura 2.1, se o ar se encontra inicialmente no ponto A, é necessário que sua

temperatura se reduza até B para o início da condensação. Nesse caso, TB é chamado ponto de orvalho.

Figura 2.1. A linha de saturação.

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Figura 2.2. A carta psicrométrica.