MINISTRIO DA EDUCAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA
PROJETO DE UM CALORMETRO BALANCEADO PARA ENSAIOS DE
CONDICIONADORES DE AR
Rodrigo J. Costa Kolbe Orientador: Prof. Paulo Otto Beyer rea de
Concentrao: Cincias Trmicas
Resumo
Este trabalho tem como objetivo projetar um calormetro do tipo
balanceado para ensaios de condicionadores de ar do tipo monobloco
e modular com capacidade trmica de at 60.000 Btu/h, visando a
possvel construo deste equipamento em uma sala no departamento de
Engenharia Mecnica da UFRGS. O trabalho envolve o dimensionamento
das cmaras e dos equipamentos de compensao e comenta sobre os
instrumentos necessrios para determinao da capacidade de
refrigerao. A anlise terica baseada nas normas tcnicas NBR5858
(ABNT/1983), NBR13033 (ABNT/1993), e ANSI/ASHRAE 16 (1988). Alm das
normas so utilizados conceitos de refrigerao, transferncia de calor
e informaes de catlogos de fabricantes.
Abstract Balanced Calorimeter Design for Testing Air
Conditioners
This work has as objective of designing a balanced type
calorimeter for testing monoblock and modular type air conditioners
with thermal capacity up to 60,000 Btu/h, aiming a possible
construction of this equipment at an UFRGSs mechanical engineering
department room. The work involves the sizing of the chambers and
reconditioning equipment and it comments about the necessary
instruments for the determination of refrigeration capacity. The
theoretical analysis is based on technical standards as NBR5858
(ABNT/1983), NBR13033
2 (ABNT/1993), and ANSI/ASHRAE 16 (1988). Beyond the standards
refrigeration, heat transfer concepts and manufactures catalogs are
used.
PALAVRAS CHAVES Calormetro, capacidade de refrigerao, cmaras,
equipamento de compensao.e
condicionador de ar.
ndice 1.
INTRODUO...................................................................................................................3
2. FUNDAMENTOS
TERICOS...........................................................................................4
2.1. Generalidades do
calormetro............................................................................................4
2.2. Condies para o
ensaio....................................................................................................5
2.3. Cmaras do
calormetro.....................................................................................................5
2.4. Sistema de
compensao...................................................................................................6
2.5. Clculo da capacidade de
refrigerao..............................................................................8
2.6.
Instrumentao...................................................................................................................9
2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 3 Medies de
temperatura...............................................................................................9
Medies de
presso......................................................................................................9
Medies
eltricas........................................................................................................10
Outras
medies...........................................................................................................10
METODOLOGIA DE
DESENVOLVIMENTO..............................................................10
3.1. Dimensionamento das
cmaras........................................................................................11
3.2. Dimensionamento do sistema de
compensao...............................................................12
3.2.1. Capacidade de
refrigerao..........................................................................................13
3.2.2. Capacidade de
aquecimento.........................................................................................13
3.2.3. Capacidade de
desumidificao...................................................................................14
3.2.4.
Vazo...........................................................................................................................15
4.
RESULTADOS.................................................................................................................15
4.1. Resfriador de lquido -
chiller......................................................................................16
4.2. Fan
coil............................................................................................................................17
4.3. Sistema de distribuio de
gua.......................................................................................18
4.4. Sistema de
controle..........................................................................................................20
5.
CONCLUSO...................................................................................................................22
Referncias
bibliogrficas........................................................................................................22
3 Anexo
1....................................................................................................................................24
Anexo 2
...................................................................................................................................25
1. INTRODUO
A caracterstica mais importante de um condicionador de ar sua
capacidade de refrigerar ou aquecer o ar, promovendo o conforto
trmico ou mantendo condies determinadas em um ambiente, s custas de
um consumo energtico. Deste modo existe um grande interesse por
parte de engenheiros e pesquisadores em simular o comportamento
destes equipamentos em laboratrio, reduzindo custos e tempo para
finalizao de projetos. Uma das maneiras de determinar a capacidade
trmica de condicionadores de ar atravs de ensaios em calormetros,
onde alm desta caracterstica pode-se determinar a corrente eltrica,
potncia eltrica consumida, temperaturas, presses e vazes de ar e
comportamento do refrigerante do condicionador em ensaio. Este
trabalho tem como objetivo o projeto de um calormetro do tipo
balanceado para realizao de ensaios de condicionadores de ar do
tipo monobloco e modular com capacidade trmica de at 60.000 Btu/h
(17,6 kW). No desenvolver do trabalho ser abordado o
dimensionamento das cmaras do calormetro e dos equipamentos de
compensao bem como a instrumentao necessria para determinao dos
dados para o clculo da capacidade trmica. Este projeto servir como
base para possvel construo de um calormetro balanceado em uma sala
na faculdade de Engenharia Mecnica da Universidade Federal do Rio
Grande do Sul, com a finalidade de desenvolver pesquisas e prestar
servios para empresas interessadas em conhecer as caractersticas de
um determinado produto ou prottipo em desenvolvimento. Atualmente
pouqussimas empresas possuem meios para determinao destas
caractersticas. As condies exigveis para a determinao do desempenho
do condicionador so fixadas pela norma NBR5858 (ABNT,1983) e o
projeto do calormetro tem como base s normas NBR13033 (ABNT,1993) e
ANSI/ASHRAE 16 (1988).
4 2. FUNDAMENTOS TERICOS
2.1.Generalidades do equipamento
Calormetro do tipo balanceado um equipamento formado basicamente
por duas cmaras contnuas, devidamente dimensionadas, com
temperatura e umidade controladas, e instrumentao que possibilite a
aquisio de dados para o clculo da capacidade trmica do
condicionador em ensaio. Uma das cmaras simula o ambiente a ser
condicionado, chamada de ambiente interno, a outra cmara simula o
ambiente no qual calor rejeitado, chamada de ambiente externo.
Estas cmaras so separadas por uma parede divisria onde posicionada
a unidade a ser ensaiada. Os ambientes internos e externos so
equipados com sistemas de compensao, como: aquecedores,
resfriadores, umidificadores e desumidificadores, capazes de
compensar os efeitos do condicionador de ar em ensaio e manter
constantes a temperatura e umidade do ar nos ambientes. Alm do
controle de temperatura e umidade nas cmaras de teste, o calormetro
balanceado baseia-se no princpio de manter a temperatura de bulbo
seco do ambiente circundante igual temperatura de bulbo seco do
ambiente interno, caso este ambiente apresente um sistema de
compensao completo (refrigerao, aquecimento, umidificao e
desumidificao) que possibilite tanto a determinao da capacidade
de refrigerao como a determinao da capacidade de aquecimento. Esta
caracterstica implica em uma menor transferncia de calor e
conseqentemente um melhor equilbrio dentro do ambiente. Na figura
2.1, mostrado o desenho esquemtico de um calormetro balanceado.
Figura 2.1 - Desenho esquemtico de um calormetro balanceado. A
determinao da capacidade trmica feita pelo balanceamento dos
efeitos do condicionador em ensaio (refrigerao, desumidificao,
aquecimento e umidificao) com as
5 medidas da energia consumida pelos equipamentos de compensao
para compensar estes efeitos.
2.2.Condies para o ensaio
Os ensaios para determinao do desempenho de condicionadores de
ar so regidos por padres mnimos, definidos pela norma tcnica
NBR5858 (ABNT/1983). Neste trabalho sero citadas apenas as condies
exigidas para determinao da capacidade de refrigerao, ensaio que
ser a base para o desenvolvimento do calormetro, e como informao s
condies para ensaio de aquecimento. A temperatura e umidade das
cmaras devem ser mantidas constantes durante o ensaio e so
especificadas conforme tabela 2.1. Tabela 2.1 - Condies exigidas
para o ensaio de capacidade de refrigerao [NBR5858,
1983].Temperaturas exigidas Ensaio de refrigerao Ensaio de
aquecimento Ambiente interno do calormetro Ambiente externo do
calormetro Bulbo seco Bulbo mido Bulbo seco Bulbo mido 27 C Bulbo
seco 19 C 35 C 24 C Bulbo seco Bulbo mido 7 C 6 C 21 C
2.3.Cmaras do calormetro
As dimenses internas das cmaras do calormetro devem ser
suficientes para evitar qualquer restrio na entrada e sada de ar do
condicionador em ensaio. A distncia mnima entre o condicionador as
paredes e o teto deve ser de aproximadamente 1 m. A norma NBR13033
sugere dimenses internas para cada ambiente em funo da capacidade
de refrigerao do condicionador. Estas dimenses so apresentadas na
tabela 2.2. Tabela 2.2 - Dimenses dos ambientes do calormetro
[NBR13033, 1993]. Capacidade trmica nominal mxima dos aparelhos
(Btu/h) 10.236 Btu/h (3.000 W) 20.472 Btu/h (6.000 W) 30.708 Btu/h
(9.000 W) 40.944 Btu/h (12.000 W) Dimenses internas propostas para
cada cmara do calormetro (m) Largura Profundidade Altura 2,4 1,8
2,1 2,4 2,7 3,0 2,4 3,0 3,7 2,1 2,4 2,4
6 As paredes, o teto e o piso das cmaras devem ser construdos
com material de baixa condutividade trmica, de modo a evitar uma
transferncia de calor superior a 10% da capacidade total do
condicionador em ensaio ou superior 1023 Btu/h, para uma diferena
de temperatura de 11 C entre cmaras ou entre cmara e ambiente
circundante. O calor sensvel ganho atravs das paredes, teto e piso,
considerando regime permanente, calculado conforme equao 2.1,
abaixo:
q = UA(t e t i )Onde: q calor trocado por conduo pelas paredes,
teto e piso do calormetro, em W; U o coeficiente global de
transferncia de calor, em W/m2K;
(2.1)
A o somatrio das reas de todas as faces de um ambiente (externo
ou interno) do calormetro, incluindo a parede divisria, em m2; te a
temperatura do ambiente circundante , em C; ti a temperatura
interna das cmaras, em C. O material no deve ser poroso e todas as
juntas devem ser vedadas para evitar a transferncia de umidade e
vazamento de ar nos ambientes do calormetro. Alm disto, as paredes,
o teto e o piso das cmaras do calormetro devem ser espaadas em pelo
menos em 0,3 m das paredes, teto e piso do ambiente circundante, de
modo a se ter uma distribuio de temperatura uniforme em toda
superfcie externa da cmara.
2.4.Sistema de compensao
Os sistemas de compensao so formados por equipamentos com
capacidade para compensar os efeitos do condicionador de ar, de
modo a manter as condies de temperaturas (bulbo seco e bulbo mido)
exigidas e tambm a circulao do ar dentro dos ambientes do
calormetro. A determinao das caractersticas dos equipamentos deve
considerar a maior capacidade trmica e mxima vazo do condicionador
a ser ensaiado. Para ensaios de refrigerao so necessrios os
seguintes equipamentos, conforme ambiente do calormetro: No
ambiente interno, o fluxo de ar ao passar pela serpentina do
evaporador perde calor sensvel e latente, resultando em uma reduo
das temperaturas de bulbo seco e bulbo mido. Para compensar os
efeitos do evaporador da unidade em ensaio, utilizam-se aquecedores
para elevar a temperatura de bulbo seco e umidificadores para
elevar a temperatura de bulbo mido.
7 Estes equipamentos devem ser alimentados por alguma forma de
energia que possa ser controlada e medida. No ambiente externo, o
fluxo de ar ao atravessar a serpentina do condensador da unidade em
ensaio aquecido, aumentando as temperaturas de bulbo seco e bulbo
mido. Para compensar estes efeitos utilizam-se resfriadores e em
alguns casos o auxilio de desumidificadores. A potncia dos
equipamentos de compensao deve ser maior que a capacidade trmica do
condicionador em ensaio, a fim de garantir o balanceamento. Para o
ambiente externo alm da capacidade trmica do condicionador, deve
ser levado em conta o calor dissipado pelo compressor e pelo
ventilador da unidade externa, o qual pode elevar em torno de 30% a
50% a potncia necessria. Este acrscimo de potncia baseado em dados
tcnicos de condicionadores de ar com capacidade trmica de at 60.000
Btu/h, e determinado pela razo entre a potncia eltrica aplicada e a
potncia trmica do condicionador. Os equipamentos de compensao devem
utilizar unidades de ventilao que garantam, no mnimo, duas vezes a
quantidade de ar circulado pelo condicionador de ar (unidade
interna) em ensaio e pelo menos uma troca por minuto de volume
lquido de ar nos ambientes. Outra caracterstica destes equipamentos
prover uma velocidade mxima do ar de 0,5m/s aproximadamente 1 m do
condicionador em ensaio, afim de no causar nenhuma restrio ao fluxo
de ar do condicionador. A velocidade do ar frente do equipamento em
ensaio, pode ser estimada pela equao 2.2, considerando-se uma
distribuio uniforme dentro da cmara.u ec = Q Ab
(2.2)
Onde: uec velocidade do ar insuflado pelo equipamento de
compensao dentro de um ambiente do calormetro, em m/s; Q a vazo de
ar gerada pelo equipamento de compensao, em m3/s; Ab a rea da base
do ambiente do calormetro, em m2. Alm dos equipamentos para manter
as temperaturas, necessrio instalar um equipamento de equalizao de
presses entre os ambientes interno e externo. Este equipamento tem
a finalidade de manter o balano de presses entre os ambientes e
deve ser projetado conforme ANSI/ASHRAE 16.
8 2.5.Clculo da capacidade de refrigerao
A capacidade de refrigerao do condicionador em ensaio
determinada pela energia consumida pelos equipamentos de compensao
para manter as condies exigidas, e calculada conforme equao 2.3,
abaixo:
q tr = E r + ( hw1 hw 2 ) wr + q1 p + q1rOnde: qtr a capacidade
total de refrigerao, em W;
(2.3)
Er o somatrio de toda potncia eltrica fornecida ao sistema de
compensao do ambiente interno para aquecer e/ou umidificar, em W;
hw1 a entalpia da gua ou vapor fornecido para manter o teor de
umidade J/kg. Se no for introduzida gua durante o ensaio, hw1
obtido pela temperatura da gua nos tanques de umidificao do
sistema. hw2 a entalpia do vapor dgua condensado, deixando o
ambiente interno, em J/kg. Como a transferncia de vapor condensado
do ambiente interno para externo feita internamente ao
condicionador de ar, tornando difcil a medio de sua temperatura,
deste modo a temperatura poder ser tomada como sendo igual a
temperatura de bulbo mido do ar saindo do condicionador. wr o vapor
de gua condensada pelo condicionador, ou seja, quantidade de gua
evaporada no ambiente interno para manter a umidade requerida
dentro do ambiente, medida feita no sistema de umidificao e dada em
kg/s; q1p o calor transferido do ambiente interno, atravs da parede
divisria , entre os ambientes interno e externo, como determinado
no clculo do isolamento trmico, em W; q1r o calor transferido ao
ambiente interno, atravs das paredes, piso e teto (mas no incluindo
a parede divisria), em W. O efeito da perda de calor latente,
desumidificao, calculado conforme equao 2.4 abaixo: q d = 2466 wr
Onde: qd a capacidade de desumidificao, em kW; wr o vapor de gua
condensada pelo condicionador, em kg/s. (2.4)
9 A capacidade de resfriamento calculada pela equao 2.5, abaixo:
q s = qtr q d Onde: qs a capacidade de resfriamento, em W; qtr a
capacidade total de refrigerao, calculada conforme equao 2.3, dada
em W; qd a capacidade de desumidificao, calculada conforme equao
2.4, dada em W. 2.6.Instrumentao (2.5)
Para medio dos dados necessrios para o clculo da capacidade de
refrigerao e para controle das condies exigidas para o ensaio, so
necessrios os seguintes instrumentos:
2.6.1. Medio das temperaturas
Para medio das temperaturas de bulbo seco e bulbo mido nos
ambientes, pode-se utilizar termmetros de mercrio, termopares ou
termmetros de resistncia eltrica. A preciso destes instrumentos
deve estar compreendida nos seguintes limites: a) Temperaturas de
bulbo seco, bulbo mido e temperatura da gua gelada utilizada no
sistema de compensao: 0,05 C. b) Outras temperaturas: 0,3 C. Em
nenhum caso, o menor intervalo de graduao do instrumento de medio
deve ser maior que o dobro da preciso prescrita acima. Para medio
das temperaturas dos ambientes, o instrumento de medio deve ser
posicionado em um local que as medies no sejam afetadas pela
descarga do condicionador em ensaio ou do equipamento de compensao.
Informaes adicionais sobre instrumentos para medio de temperatura
so descritas na norma NBR10085 (Nov/1987).
2.6.2. Medio das presses
Para medio das presses no ambientes pode-se utilizar manmetros
de coluna dgua, desde que permitam a medies de 1,25 Pa.
10 Em nenhum caso, o menor intervalo de graduao do instrumento
de medio deve ser maior que o dobro da preciso prescrita acima.
Para medio da presso atmosfrica deve ser utilizado barmetro com
preciso de 0,1 %.
2.6.3. Medies eltricas
As medies do consumo eltrico pelos equipamentos utilizado no
calormetro, podem ser realizadas com indicadores ou integradores.
Estes instrumentos devem possuir uma preciso de 0,5% sobre a
quantidade medida.
2.6.4. Outras medies
As medies de volume devem ser efetuadas por meio de recipiente
graduado, seja em massa ou volume ou medidor de vazo. A preciso
destes equipamentos deve ser de 1,0%. O recipiente graduado deve
consistir de um tanque com capacidade suficiente para armazenar o
fluxo de gua por pelo menos dois minutos. As medies de tempo devem
ser efetuadas com instrumentos de preciso igual a 0,2% da
quantidade medida. As medies de massas devem ser efetuadas com
instrumentos de preciso igual a 1% da quantidade medida.
3. METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO
Os dados para o projeto do calormetro so baseados nas normas
tcnicas NBR5858 (Associao Brasileira de Normas Tcnicas), 1983;
NBR13033, 1993 e ANSI/ASHRAE 16 (American Society of Heating,
Refrigerating and Air-conditioning Engineers), 1988. Para
determinao das caractersticas de condicionadores de ar com
capacidade trmica de at 60.000 Btu/h, utilizou-se catlogo da
empresa York e Springer Carrier.
11 3.1.Dimensionamento das cmaras
O local para possvel construo do calormetro uma sala localizada
no segundo piso do Departamento de Engenharia Mecnica da UFRGS, que
apresenta as seguintes dimenses internas: 9,20 metros de
comprimento, 5,63 metros de largura e altura de 4,40 metros. Devido
s exigncias das normas, em se manter um afastamento de no mnimo
0,30 metros das paredes, piso e teto do calormetro em relao ao
ambiente circundante, a necessidade de espao para acesso ao
ambiente interno do calormetro e o espao para abertura de portas e
janelas de ambos os ambientes, as dimenses externas mximas do
calormetro devem ser de 7,40 metros de comprimento, 4,33 metros de
largura e 3,90 metros de altura. Tendo em vista as exigncias
descritas na seo 2.3., o material e espessura das paredes, piso e
teto para cada ambiente do calormetro, so definidos pelo
coeficiente global de transferncia de calor U, que para este caso
refere-se somente a transferncia de calor por conduo, sendo a
transferncia por conveco desprezvel. Os dados exigidos e o valor de
U, calculado conforme equao 2.1, so apresentados na tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Dados exigidos pela norma para dimensionar o
isolamento.Mxima transmisso de calor aceitvel (q) 1023 Btu/h rea
total* 83,43 m2
Variao de temperatura entre os ambientes 11 C
U 0,326 W/m K2
Com base no valor de U, tabela 3.1, uma opo para o material das
paredes e teto do calormetro so isopainis fabricados com chapa de
ao galavanizado, calandrados com perfilado especial, no sentido
longitudinal para proporcionar uma maior rigidez e preenchidos com
poliestireno expandido, apresentando um coeficiente de
condutividade trmica de 0,29 W/m2K. Os isopainis devem apresentar
uma espessura mnima de 10 cm. Para maior rigidez do piso deve ser
utilizado um piso de madeira no lugar das chapas de ao. Este piso
pode apresentar aproximadamente 1 cm de espessura. Sob o piso de
poliestireno, o piso de madeira deve avanar em aproximadamente 10
cm, de modo que as paredes do calormetro apiem-se sobre este. Com a
finalidade de assegurar uma maior uniformidade na distribuio do ar
insuflado pelos equipamentos de compensao, garantindo uma melhor
homogeneizao das temperaturas de bulbo seco e bulbo mido, deve-se
instalar um forro falso de chapa perfurada em ambos
12 ambientes. Este forro pode ser afastado em aproximadamente 40
cm do teto dos ambientes e apresentar uma relao de rea livre de
70%. O calormetro deve apresentar duas portas: uma localizada no
ambiente interno destinada entrada dos equipamentos do tipo janela
e da unidade interna de equipamentos do tipo modular e outra
localizada no ambiente externo, destinada entrada da unidade
externa dos equipamentos modulares. As portas devem apresentar 1,20
metros de largura por 1,80 metros de altura, podem ser construdas
com o mesmo material das paredes e devem ser hermeticamente
fechadas. Uma rampa com aproximadamente 30 de inclinao, deve ser
construda frente de cada porta para facilitar a entrada dos
equipamentos. A parede divisria deve apresentar uma abertura
central, para o posicionamento de equipamentos do tipo janela. Est
abertura poder apresentar no mnimo 0,8 metros de largura por 0,6
metros de altura, dimenses baseadas no maior equipamento de janela
existente no mercado. Para equipamentos menores faz-se necessrio
utilizao de adaptadores. Para afastar o piso do calormetro do piso
do ambiente circundante (sala) podem ser utilizadas estruturas de
ao que permitam a circulao de ar sob o calormetro. No cabe a este
trabalho o dimensionamento desta estrutura. No anexo 1 apresentado
um desenho do calormetro com as dimenses citadas acima, instalado
na sala.
3.2.Dimensionamento do sistema de compensao
O dimensionamento do sistema de compensao deve ser baseado nas
exigncias definidas pelas normas NBR13033 e ANSI/ASHRAE 16,
conforme descrito na seo 2.4.. Para o projeto de um calormetro as
normas sugerem que o ambiente interno seja provido de aquecedores e
umidificadores e o ambiente externo seja provido de resfriadores, e
ambos devem apresentar uma unidade de ventilao. Neste projeto ser
dimensionado um sistema composto por refrigerao, aquecimento,
umidificao e ventilao tanto para o ambiente interno como para o
ambiente externo. Este recurso ser adotado para facilitar o ensaio
de condicionador com ciclo reverso, onde em ensaio de aquecimento o
ambiente interno passa a ser o ambiente externo e vice-versa. No
anexo 2 apresentado o desenho de um calormetro com estes
equipamentos. Nas subsees abaixo so apresentadas as capacidades
trmicas e vazo necessria para que os equipamentos compensem os
efeitos do condicionador em ensaio.
13 3.2.1. Capacidade de refrigerao
A capacidade de refrigerao necessria definida com base no calor
rejeitado no condensador do condicionador em ensaio, que consiste
no calor absorvido no evaporador mais a potncia fornecida ao
compressor. Conforme ASHRAE, o calor calculado pela equao 3.1. qo =
qi + q w Onde: qo o calor total liberado pelo condensador, em W; qi
capacidade de refrigerao do condicionador em ensaio, neste caso a
maior capacidade a ser ensaiada, em W; qw potncia requerida pelo
compressor e ventilador, conforme catlogos de fabricantes est
potncia equivale a aproximadamente 40 % da capacidade de refrigerao
em condicionadores de ar com capacidade de 60.000 Btu/h.
(3.1)
Alm do calor fornecido pelo condensador necessrio acrescentar um
fator de segurana no clculo da capacidade de refrigerao. Com base
em um calormetro da empresa Springer Carrier, ser adotado um
acrscimo de 50% sobre a capacidade de refrigerao do condicionador
em ensaio. Desta forma a capacidade de refrigerao e os dados
utilizados no clculo so apresentados na tabela 3.2. Tabela 3.2.-
Dados para o clculo e resultado da capacidade de refrigerao
necessria. qi 17,6 kW qw 7,0 kW Fator de segurana 8,8 kW Capacidade
de refrigerao 33,4 kW (9,5 TR)
3.2.2. Capacidade de aquecimento
A capacidade de aquecimento necessria deve compensar o frio
produzido pelo evaporador do condicionador em ensaio, preservando a
temperatura de bulbo seco do ambiente, conforme a condio estipulada
pela norma. Est capacidade ser definida considerando-se um FCS
(fator de calor sensvel) igual a 1, i.e., o calor total produzido
pelo evaporador calor sensvel . Com esta hiptese tem-se o mximo de
calor sensvel que o condicionador poderia fornecer, caso no
ocorresse
14 desumidificao do ar. Deve-se tambm adicionar um fator de
segurana de 50% sobre a capacidade de refrigerao do condicionador
em ensaio. Desta forma a capacidade de aquecimento e os dados
utilizados no clculo so apresentados na tabela 3.3. Tabela 3.3. -
Dados para o clculo e resultado da capacidade de refrigerao
necessria. qi 17,6 kW Fator de segurana 8,8 kW Capacidade de
aquecimento 26,4 kW
3.2.3. Capacidade de umidificao
A capacidade de umidificao necessria deve compensar a perda de
umidade do ar ao passar pelo evaporador do condicionador em ensaio,
preservando a temperatura de bulbo mido no ambiente. Esta
capacidade ser definida com base no FCS, conforme determinao da
capacidade de aquecimento, sendo que neste caso usa-se o menor FCS
encontrado. Conforme ASHRAE, os sistemas devem apresentar um FCS
mnimo de 0,85, i.e., 15% do total de calor produzido calor latente.
Neste projeto ser adotado um FCS de 0,65 como fator de segurana,
pois este valor demonstra a mxima desumidificao do ar, considerando
as condies de temperaturas exigidas e efetividade da serpentina
igual a 1. Assim pode-se calcular a capacidade de umidificao,
conforme equao 3.2, abaixo: H = Q (W eWs ) Onde: H a capacidade de
umidificao, em kg/h de gua; a densidade do ar, 1,20 kg/m3; Q a vazo
de ar do condicionador em ensaio, em m3/h. Est vazo pode ser estima
considerando uma vazo de 660 m3/h para cada 1TR de capacidade
trmica. Est hiptese utilizada em projetos, como uma estimativa
razovel. We a umidade absoluta do ar nas condies de projeto, em kg
de gua / kg de ar seco. Ws a umidade absoluta do ar na sada do
evaporador, em kg de gua / kg de ar seco. Considerando as condies
de projeto como TBS de 27 C e TBU de 19 C e o FCS de 0,65,
determina-se umidade absoluta de sada traando estes dados em uma
carta psicromtrica. (3.2)
15 Desta forma a capacidade de umidificao e os dados utilizados
no clculo so apresentados na tabela 3.4 Tabela 3.4 - Dados para o
clculo da capacidade de umidificao necessria. 1,20 kg/m3 Q 3300
m3/h We Ws Capacidade de umidificao
0,0105 kg gua 0,0045 kg gua 23,5 kg gua/ h ou / kg ar seco / kg
ar seco 23,5 L/h
A potncia necessria pode ser obtida atravs do FCS de 0,65, a
qual equivale a 35 % da capacidade de refrigerao, i.e., 11,7
kW.
3.2.4. Vazo
Conforme exigncias das normas, citadas na seo 2.4, a vazo do
sistema de compensao deve ser no mnimo o dobro da vazo do
condicionador em ensaio e promover pelo menos uma troca do volume
de ar da cmara por minuto. Ser considerado uma vazo de 660 m3/h
para cada 1TR (3,5 kW) de capacidade de refrigerao, como a maior
capacidade a ser ensaiada de 5 TR (17,6 kW), tem-se uma vazo de
3300 m3/h. Desta forma a vazo do sistema de compensao deve ser de
6600 m3/h. Com a vazo de 6600 m3/h e o volume interno de cada
ambiente sendo de 50,2 m3, obtem-se 2,2 trocas por minutos.
4. RESULTADOS
Na seo 3.2 determinou-se as capacidades trmicas e vazo necessria
que os equipamentos de compensao devem apresentar. Nesta seo ser
realizada a seleo dos equipamentos, para qual primeiramente
necessria a definio do sistema de condicionamento a ser utilizado.
As normas NBR13033 e ANSI/ASHRAE 16 sugerem a utilizao de sistemas
que utilizam gua como fludo refrigerante, pois estes sistemas
proporcionam um controle mais preciso nos ambientes climatizados.
Estes sistemas so formados basicamente pelos seguintes componentes:
a) Unidade resfriadora de liquido, tambm chamada de chiller. b)
Unidade para refrigerar o ar do ambiente, como opo um fan coil.
16 c) Sistemas de distribuio da gua. d) Sistema de bombeamento
para manter a presso no sistema. e) Sistema de controle. Neste
sistema a gua resfriada no chiller ento escoa pela tubulao,
aumentando a presso ao passar pela bomba e ento segue para
serpentina do fan coil onde troca calor com o ar do ambiente. O
controle da temperatura nos ambientes realizado pela variao da vazo
de gua na serpentina.
4.1.Resfriador de liquido - chiller
O calor que chiller deve retirar da gua, considerando um sistema
ideal, deve ser igual ao calor transferido para a gua ao passar
pela serpentina do fan coil. Neste caso, conforme capacidade de
refrigerao determinada na seo 3.2.1.o chiller deve apresentar uma
capacidade de 9,5 TR (33,4 kW). Para esta capacidade selecionou-se
um chiller modelo 30AJ 010. Este equipamento um resfriador de
pequena capacidade com condensao a ar, fabricado pela empresa
Springer Carrier. As caractersticas gerais deste modelo so
apresentadas na tabela 4.1. Tabela 4.1 Caractersticas do chiller
selecionado.
Com relao performance do equipamento, este apresenta uma
temperatura da gua na sada igual a 7 C e uma temperatura na entrada
de 12 C, uma vazo no evaporador de 5,79 m3/h e uma capacidade de
refrigerao de 33,7 kW, considerando a temperatura de bulbo seco do
ambiente igual a 35 C.
17 4.2.Fan coil
O fan coil deve apresentar um mdulo de ventilao que fornea uma
vazo de aproximadamente 6600 m3/h e um trocador de calor com
capacidade de refrigerao de 9,5 TR. O equipamento deve permitir o
acrscimo de um mdulo com resistncias eltricas destinadas a manter a
temperatura de bulbo seco no ambiente interno. As resistncias devem
apresentar uma potncia de aquecimento total de aproximadamente 26,4
kW. O equipamento ser selecionado por um procedimento adotado pela
empresa Bryant, as equaes e grficos utilizados para o clculo esto
disponvel no catlogo tcnico do fabricante. Os dados necessrios para
seleo so apresentados na tabela 4.2. Tabela 4.2.- Dados necessrios
para seleo do fan coil.Dados:
Carga trmica : 9,5 TR (33,4 kW) Vazo de ar: 6600 m3/h Condies de
entrada do ar: TBSae: 35 C TBUae: 24 C Condio de sada do ar: TBSas:
19,5 C
Temperatura da gua na entrada: 7 C Temperatura da gua na sada:
12 C Presso atm local : 760 mm Hg Velocidade de face: < 2,6 m/s
Velocidade de descarga: < 10 m/s Perda de presso hidrulica: <
5,0 mca
Com base nos dados acima foi selecionado o fan coil modelo ITS
10E3V1220 8CN. Na tabela 4.3 so apresentadas algumas das
caractersticas deste modelo. Tabela 4.3.- Caractersticas do fan
coil modelo ITS 10E3V1220 8CN.Caractersticas :
Vazo de ar: 6800 m3/h rea de face: 0,824 m Velocidade de face:
2,2 m/s N de filas : 3 N de circuitos: 8 Tubos dimetro: 5/8 "
Velocidade da gua na serpentina: 1,19 m/s Perda de presso
hidrulica: 2,6 mca Condies do ar na sada: TBSas : 19,0 C TBUas :
16,7 C
Tipo de descarga: ascendente
Dimenses : Largura: 1600 mm Profundidade : 710 mm Altura: 1340
mm
Este fan coil permite o acoplamento de um mdulo de aquecimento,
o qual deve apresentar um banco de resistores que totalizem a
potncia de 26,4 kW. Uma opo de configurao disponvel no catalogo do
fabricante Bryant, tabela 4.4, o aquecimento deve ser realizado em
dois estgios de 13,5 kW cada , totalizando 27 kW.
18 Tabela 4.4 - Configurao do banco de resistores.
Alm do banco de resistores o fan coil pode ser provido de um
equipamento de umidificao por resistncias eltrica. Estes
umidificadores so compostos por um recipiente de ao inox,
resistncias blindadas para imerso e um sistema de alimentao de gua
feita atravs de uma pequena caixa dgua com controle de nvel por bia
mecnica. As resistncias devem apresentar uma potncia de 11,7 kW
obtendo uma capacidade de umidificao de 23,5 L/h. Com os mdulos
determinados a montagem do fan coil deve obedecer a seguinte
configurao, conforme ilustrado na figura 4.1.1 2 3 4
Figura 4.1 - Configurao dos mdulos do fan coil. O mdulo de
ventilao fornecido pelo fabricante com uma sanfona de lona no
ventilador para conexo do duto. Nesta lona deve ser conectado um
duto quadrado de 315 mm de largura por 1700 mm de comprimento, com
a finalidade de o ar ser descarregado na zona entre o forro falso e
teto do ambiente.Alm do tudo na descarga do ventilador, deve ser
acrescentado um duto no retorno do ar, para tentar manter uniforme
a temperatura do ar na cmara.
4.3. Sistema de distribuio de gua.
O sistema de distribuio deve ser de dois tubos, este sistema se
caracteriza por no permitir a alimentao de gua gelada e gua quente
simultneas, sendo neste projeto a serpentina do fan coil utilizada
somente para refrigerao. O retorno do sistema dever ser do tipo
reverso, o qual garante a mesma perda de carga para as duas
unidades do fan coil. O dimetro da tubulao pode ser determinado
levando em considerao a velocidade mxima do escoamento de 2 m/s.
Para um dimetro nominal de 1 e vazo no evaporador do
19 chiller de 5,79 m3/s , a velocidade de escoamento fica em
torno de 1,41 m/s. A tubulao dever ser de ao galvanizado e isolada
termicamente. Para o clculo da perda de carga ser considerado o
sistema distribuio apenas para um fan coil, lembrando que estes
equipamentos no funcionaro ao mesmo tempo. O comprimento total de
trechos retos ser de 40,2 metros, mais 8 joelhos de 90, uma vlvula
trs vias e uma vlvula de reteno. Um diagrama do sistema apresentado
na figura 4.2.
M
FAN COIL 6m
CHILLER
Figura 4.2 - Diagrama do circuito de gua para o clculo da perda
de carga. A altura de recalque de 6 metros, a altura de suco zero,
pois o chiller se encontra na altura da bomba. A perda de carga no
evaporador de 5,8 mca e na serpentina do fan coil de 2,6 mca.
Aplicando as equaes descritas no manual tcnico do fabricante de
bombas Scheneider S.A, encontra-se a altura manomtrica de 18,2 mca
e um NPSHd de 10,2 mca. Para estes requisitos, as curvas da bomba
selecionada, uma Schneider BC-91S, apresentado na figura 4.3.
Figura 4.3 - Curvas caractersticas da bomba selecionada.
20 Um tanque de expanso com aproximadamente 10 litros, deve ser
instalado no ponto mais alto da tubulao, com um duto conectado
neste ponto e outro conectado antes da bomba, a fim de evitar a
presena de ar no escoamento.
4.4. Sistema de controle A potncia de refrigerao transferida ao
ar do ambiente externo do calormetro proporcional a vazo de gua
gelada circulando na serpentina do fan coil, com a finalidade de
manter as temperaturas exigidas pela norma no ambiente, faz-se
necessrio o seu controle. O controle da vazo de gua pode ser
realizado pela incluso de vlvulas no sistema de distribuio. Uma opo
a utilizao de vlvulas trs vias com um by pass pela serpentina. Este
sistema permite a variao do fluxo de gua gelada na serpentina,
mantendo constante o fluxo do sistema. Um sistema de controle do
tipo loop fechado o mais apropriado para esta situao, sendo
necessrio para este sistema os seguintes componentes: a) Sensor:
esse componente responsvel pela medio do valor da varivel de
controle, neste caso a temperatura do ar do ambiente externo. Para
este medio podem ser utilizados sensores de bulbo de platina, um
PT100, preparados e posicionados conforme norma NBR10085. Estes
sensores devem medir a temperatura de bulbo seco e bulbo mido. b)
Controlador: uma opo utilizar controladores digitais, pois permitem
processar sinais de vrios aparelhos. Desta forma este controlador
pode ser utilizado para controle das resistncias de aquecimento e
de umidificao. A ao de controle deve ser do tipo PID
(ProportionalIntegral-Derivative), proporcionado uma resposta mais
rpida e com maior preciso. c) Elemento controlado: para controlar o
fluxo devem ser utilizadas vlvulas trs vias do tipo misturadoras
operadas por um motor eltrico reversvel, o qual permite um
posicionamento varivel. No by pass deve ser instalado uma vlvula de
balano para manter o fluxo de projeto. Na figura 4.4, apresentado
estes componentes, vale lembrar que este diagrama apenas
demonstrativo.
21
TANQUE DE EXPANSO
FAN COIL AMBIENTE INTERNO
FAN COIL AMBIENTE EXTERNO
CHILLERM M
RESISTNCIAS AQUECIMENTO RESISTNCIAS UMIDIF ICAO
CONTROLADOR DIGIT AL
T BS - PT100 TBU - PT100
Figura 4.4 - Diagrama esquemtico do sistema de distribuio de
gua.
22 5. CONCLUSO O projeto de um calormetro uma tarefa bastante
complexa, pelo fato de existirem poucas informaes a respeito e
tambm pela necessidade de grande conhecimento prtico na rea de
refrigerao, principalmente sobre condicionadores de ar. Devido a
estes fatores, este trabalho se limitou apenas a duas etapas do
projeto, o dimensionamento das cmaras do calormetro e
dimensionamento dos equipamentos de compensao. A sala proposta para
instalao apenas uma hiptese, sendo necessria a adaptao do sistema
caso se utilize outra sala. Os equipamentos de compensao
selecionados so apenas uma opo, sendo necessrio uma anlise de
viabilidade tcnica e financeira para uma melhor escolha. Como
sugesto para continuao deste fica o dimensionamento do sistema de
controle e da instrumentao necessria para aquisio dos dados e o
dimensionamento do sistema de climatizao do ambiente
circundante.
Referncias bibliogrficas
1. ASHRAE, Air Conditioning Cooling Load, ASHRAE Fundamentals
Handbook, 1993. 2. ASHRAE, Hydronic Heating and Cooling System
Design, ASHARAE System and Equipaments, 1992. 3. ASHARAE, All-Water
System, ASHRAE System and Equipaments, 1992. 4. ASHARAE,
Condensers, ASHRAE System and Equipaments, 1992. 5. ASHARAE,
All-Water System, ASHRAE System and Equipaments, 1992. 6.
ABNT,1983, NBR5858 Condicionador de Ar domstico Especificaes,
Brasil. 7. ABNT,1993, NBR13033 Construo de calormetros utilizados
para ensaios de condicionador de ar de uso domstico, tipo monobloco
ou modular - Procedimento, Brasil. 8. ABNT,1987, NBR10085 Medio de
temperatura em condicionador de ar Procedimento, Brasil. 9.
ASHRAE,1988,ANSI/ASHRAE 16 Method of testing for room air
conditioners and packaged terminal air conditioners, USA.
23 10. York, 2002, Catlogo Eletrnico Junho 2002, Brasil. 11.
www.springer.com.br/produtos.
24
Anexo I
AMBIENTE INTERNO
AMBIENTE EXTRNO VISTA SUPERIOR
VISTA EM CORTE
25
Anexo 2
Ambiente Externo
Ambiente Interno
Umidificador Aquecedor Resfriador Equipamento de compensao
