Prof.ª Camila Safieddine

Indaial – 2021

RefRigeRação, aR-condicionado e Ventilação

Prof.ª Camila Safieddine

1a Edição

Copyright © UNIASSELVI 2021

Elaboração:

Prof.ª Camila Safieddine

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri

UNIASSELVI – Indaial.

Impresso por:

S128r

Safieddine, Camila Refrigeração, ar-condicionado e ventilação. / Camila Safieddine. – Indaial: UNIASSELVI, 2021.

161 p.; il.

ISBN 978-65-5663-548-4 ISBN Digital 978-65-5663-549-1

1. Termodinâmica. – Brasil. 2. Cargas térmicas. – Brasil. II. Centro Universitário Leonardo da Vinci.

CDD 620

apResentaçãoOlá, acadêmico do Curso de Engenharia! Bem-vindo a esta nova

disciplina em seu curso. Agora você dará início aos estudos de Refrigeração, Ar-condicionado e Ventilação. Buscaremos trabalhar o seu aprendizado de forma prática, trazendo conceitos importantes para a sua formação como engenheiro. Você aprenderá fundamentos da termodinâmica, cargas térmicas sobre uma edificação, radiação, ventilação, potências dissipadas, sistemas de ar condicionado, psicrometria, compressores, evaporadores, resfriadores, condensadores e sobre segurança.

Na Unidade 1, Introdução aos fundamentos da Termodinâmica, você estudará de forma geral conceitos básicos relacionados à termodinâmica (como temperatura, calor sensível, calor latente, umidade relativa do ar), aplicações da refrigeração e ar condicionado, e sobre a carta psicrométrica.

Na Unidade 2, Características da Refrigeração Industrial e Comercial, você estudará o funcionamento de um ciclo de refrigeração, os principais componentes e equipamentos responsáveis por esse processo. Além disso, aprenderá sobre fluidos refrigerantes e suas propriedades em um processo de refrigeração.

Na Unidade 3, Classificação de Sistemas e Ar-condicionado, abordaremos sobre ar condicionado, gestão de energia e sistemas de controle. Além disso, você irá aprender sobre os ventiladores, que são componentes principais em um sistema de ar ou sistema de ventilação.

Este livro foi desenvolvido para proporcionar participação ativa em seus estudos. Você encontrará indicação de materiais complementares e com eles poderá aprimorar seus conhecimentos e tornar o aprendizado mais agradável e produtivo. Faça os exercícios propostos e troque experiências com seus colegas, pois, você, estudante de engenharia, é peça fundamental ao crescimento das indústrias e do país.

Bons estudos!

Prof. Msc. Eng. Camila Safieddine

Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material.

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Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão.

Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.

Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos!

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Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complemen-tares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento.

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Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada!

LEMBRETE

sumáRio

UNIDADE 1 — INTRODUÇÃO AOS FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA ............... 1

TÓPICO 1 — REFRIGERAÇÃO, AR CONDICIONADO E VENTILAÇÃO .............................. 31 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 32 CONCEITOS E APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL .................................... 3

2.1 REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL .................................................................................................. 32.1.1 Armazenamento de alimentos não congelados ................................................................. 42.1.2 Alimentos congelados ........................................................................................................... 62.1.3 Processamento de alimentos ................................................................................................ 6

3 CONCEITOS E APLICAÇÕES DO AR-CONDICIONADO ....................................................... 73.1 REFRIGERAÇÃO NA INDÚSTRIA DE MANUFATURA ....................................................... 83.2 REFRIGERAÇÃO NA INDÚSTRIA QUÍMICA E DE PROCESSOS ....................................... 9

RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 10AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 11

TÓPICO 2 — PRINCIPAIS CONCEITOS RELACIONADOS À TERMODINÂMICA ......... 131 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 132 CONCEITOS BÁSICOS ................................................................................................................... 13

2.1 TEMPERATURA ........................................................................................................................... 142.2 CALOR ........................................................................................................................................... 14

2.2.1 Calor Sensível ....................................................................................................................... 162.2.2 Calor Latente ........................................................................................................................ 18

2.3 UMIDADE RELATIVA DO AR ................................................................................................... 202.4 AR ATMOSFÉRICO, AR SECO E AR ÚMIDO ......................................................................... 21

2.4.1 Temperatura de bulbo seco do ar ...................................................................................... 212.4.2 Temperatura de bulbo úmido do ar .................................................................................. 21

3 ENTALPIA ........................................................................................................................................... 22RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 23AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 25

TÓPICO 3 — CARGAS TÉRMICAS SOBRE UMA EDIFICAÇÃO E PSICROMETRIA ....... 271 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 272 DIAGRAMA PSICROMÉTRICO ................................................................................................... 27

2.1 CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE MOLLIER ................................................................... 293 ROTEIRO DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA PSICROMÉTRICO.................................. 31

3.1 FATORES DE ESCALA ................................................................................................................ 323.2 LINHAS DE ENTALPIA ESPECÍFICA ...................................................................................... 323.3 LINHA DE SATURAÇÃO ........................................................................................................... 343.4 LINHAS DE TEMPERATURA DE BULBO SECO ................................................................... 343.5 LINHAS DE TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO ............................................................... 353.6 LINHAS DE VOLUME ESPECÍFICO ........................................................................................ 383.7 LINHAS DE UMIDADE RELATIVA ......................................................................................... 40

LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 42RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 47AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 48REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 49

UNIDADE 2 — CARACTERÍSTICAS DA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL E COMERCIAL .................................................................................................................51

TÓPICO 1 — COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE PRESSÃO NA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL ............................................................................. 531 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 532 REMOÇÃO DO GÁS DE FLASH ................................................................................................... 533 RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO EM COMPRESSÃO DE DUPLO ESTÁGIO .......... 604 COMPRESSÃO COM DUPLO ESTÁGIO E UMA ÚNICA TEMPERATURA DE EVAPORAÇÃO .................................................................................................................................. 625 A PRESSÃO INTERMEDIÁRIA ÓTIMA ..................................................................................... 636 COMPRESSÃO COM DUPLO ESTÁGIO E DOIS NÍVEIS DE TEMPERATURA DE EVAPORAÇÃO ........................................................................................................................... 657 ESTÁGIO ÚNICO OU ESTÁGIO DUPLO DE COMPRESSÃO? ............................................ 67RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 69AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 70

TÓPICO 2 — SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR, REFRIGERAÇÃO E SEUS EQUIPAMENTOS ............................................................................................ 731 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 732 COMPRESSORES .............................................................................................................................. 73

2.1 COMPRESSORES ALTERNATIVOS .......................................................................................... 742.1.1 Rendimento volumétrico de espaço nocivo ..................................................................... 76

2.2 COMPRESSORES PARAFUSO ................................................................................................... 773 CONDENSADORES ......................................................................................................................... 804 EVAPORADORES ............................................................................................................................. 825 SERPENTINAS................................................................................................................................... 836 RESFRIADORES ................................................................................................................................ 84RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 86AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 87

TÓPICO 3 — FLUIDOS REFRIGERANTES ................................................................................... 891 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 892 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS REFRIGERANTES............................................................. 903 PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS REFRIGERANTES...................................... 91

3.1 REQUISITOS DE SEGURANÇA ............................................................................................... 913.1.1 Eficácia do ciclo de refrigeração ........................................................................................ 92

3.2 PRESSÕES DE EVAPORAÇÃO E CONDENSAÇÃO ............................................................ 923.3 MISCIBILIDADE DO ÓLEO ...................................................................................................... 933.4 INÉRCIA ....................................................................................................................................... 933.5 CONDUTIVIDADE TÉRMICA ................................................................................................. 933.6 CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO ...................................................................................... 933.7 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ................................................................................................... 93

3.7.1 Temperatura de descarga ................................................................................................... 933.7.2 Propriedades Dielétricas ..................................................................................................... 94

3.8 CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS ................................................................................... 943.8.1 Detecção de vazamento ..................................................................................................... 94

LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 95RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 101AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 102REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 104

UNIDADE 3 — CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO ................... 105

TÓPICO 1 —AR CONDICIONADO, GESTÃO DE ENERGIA E SISTEMAS DE CONTROLE ................................................................................................................. 1071 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 1072 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO DE CONFORTO E PROCESSO ............................ 107

2.1 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO CENTRAL HIDRÔNICO ....................................... 1083 DESENVOLVIMENTO DE PROJETO DE AR CONDICIONADO ...................................... 109

3.1 PROJETO PARA SISTEMA DE AR CONDICIONADO........................................................ 1114 SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO ............................................................................. 111

4.1 LOOP DE CONTROLE E MÉTODOS DE CONTROLE ........................................................ 1124.2 SEQUÊNCIA DE OPERAÇÕES ................................................................................................ 1144.3 MÉTODOS DE CONTROLE ..................................................................................................... 115

4.3.1 Analógico e Digital ............................................................................................................ 1154.3.2 Controle Digital Direto (DDC) ......................................................................................... 1164.3.3 Controle Pneumático ......................................................................................................... 1164.3.4 Controle Elétrico e Eletrônico .......................................................................................... 118

5 SENSORES, TRANSDUTORES E CONTROLADORES......................................................... 1186 VÁLVULAS DE CONTROLE DE ÁGUA E ATUADORES DE VÁLVULAS ....................... 120RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 121AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 122

TÓPICO 2 —SISTEMAS DE AR: VENTILADORES ................................................................... 1251 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 1252 VENTILADOR ................................................................................................................................. 125

2.1 FUNÇÕES E TIPOS DE VENTILADORES ............................................................................. 1252.2 CAPACIDADE DO VENTILADOR OU TAXA DE FLUXO DE VOLUME ....................... 1272.3 AUMENTO DA TEMPERATURA DO AR EM UM VENTILADOR ................................... 1282.4 CURVAS DE DESEMPENHO DO VENTILADOR ................................................................ 128

3 VENTILADORES CENTRÍFUGOS ............................................................................................. 1303.1 VENTILADORES CURVADOS PARA TRÁS ......................................................................... 1303.2 VENTILADORES DE LÂMINA RADIAL............................................................................... 1333.3 VENTILADORES CURVADOS PARA FRENTE .................................................................... 1343.4 VENTILADORES TUBULARES OU EM LINHA .................................................................. 1353.5 VENTILADORES PLENUM ...................................................................................................... 1363.6 VENTILADORES CENTRÍFUGOS DE TETO ........................................................................ 1363.7 VENTILADORES AXIAIS ......................................................................................................... 137

3.7.1 Ventiladores propulsores ou de hélice ........................................................................... 1373.7.2 Ventiladores de tubo axial ................................................................................................ 1383.7.3 Ventilador axial de palheta ............................................................................................... 139

3.8 CURVAS DE DESEMPENHO ................................................................................................... 140RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 142AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 143

TÓPICO 3 —SISTEMAS DE AR CONDICIONADO ................................................................. 1451 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 1452 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO INDIVIDUAIS .......................................................... 145

2.1 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO DE SALA .................................................................. 1462.2 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO DE TERMINAL COMPACTO .............................. 147

3 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E RESFRIADORES E VAPORATIVOS ............................................................................................................................... 147

4 REFRIGERAÇÃO EVAPORATIVA DIRETA E RESFRIADORES EVAPORATIVOS DIRETOS ........................................................................................................................................... 149

4.1 PROCESSO DE REFRIGERAÇÃO EVAPORATIVA DIRETA .............................................. 1494.2 RESFRIADORES EVAPORATIVOS DIRETOS ....................................................................... 149

5 REFRIGERAÇÃO EVAPORATIVA INDIRETA E RESFRIADORES E VAPORATIVOS INDIRETOS ....................................................................................................... 149

5.1 PROCESSO DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO INDIRETO ......................................... 1495.2 RESFRIADORES EVAPORATIVOS INDIRETOS .................................................................. 1505.3 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO INDIRETO-DIRETO E

RESFRIADORES EVAPORATIVOS INDIRETOS DE DOIS ESTÁGIOS ............................. 152LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 153RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 158AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 159REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 161

1

UNIDADE 1 —

INTRODUÇÃO AOS FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de:

• conhecer a origem sobre refrigeração, ar-condicionado e ventilação;

• compreender conceitos básicos sobre termodinâmica;

• identificar as cargas térmicas que podem influenciar no projeto;

• compreender a carta psicrométrica.

Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.

TÓPICO 1 – REFRIGERAÇÃO, AR CONDICIONADO E VENTILAÇÃO

TÓPICO 2 – PRINCIPAIS CONCEITOS RELACIONADOS À TERMODINÂMICA

TÓPICO 3 – CARGAS TÉRMICAS SOBRE UMA EDIFICAÇÃO E PSICROMETRIA

Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações.

CHAMADA

2

3

TÓPICO 1 — UNIDADE 1

REFRIGERAÇÃO, AR CONDICIONADO E

VENTILAÇÃO

1 INTRODUÇÃO

Prezado acadêmico do Curso de Engenharia Mecânica, para darmos início aos estudos sobre refrigeração, ar condicionado e ventilação, precisamos entender qual o objetivo principal da refrigeração industrial.

De acordo com Stoecker e Jabardo (2002, p. 1),

A refrigeração industrial, a exemplo do ar condicionado, tem como objetivo a refrigeração de alguma substância ou meio. Os componentes básicos de ambos os processos não diferem: compressores, trocadores de calor, ventiladores, bombas, tubos, dutos e controles. Mas eles se distinguem em diversos aspectos como componentes, procedimentos de projeto e mercado. Os fluidos envolvidos mais comuns são: ar, água. E cada um dos sistemas é composto fundamentalmente de um ciclo frigorífico.

Neste tópico, você poderá diferenciar entre a refrigeração industrial e o ar condicionado. Além disso, saberá quais são os conceitos e aplicações da refrigeração industrial e os conceitos e aplicações do ar condicionado.

2 CONCEITOS E APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

2.1 REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

A refrigeração industrial pode ser caracterizada de duas formas: pela sua faixa de temperatura de operação ou através de suas aplicações.

De acordo com sua faixa de temperatura de operação, na refrigeração industrial as temperaturas podem atingir valores entre -60 a -70 °C (no seu limite inferior) e 15 °C (no seu limite superior) (STOECKER; JABARDO, 2002).

UNIDADE 1 — INTRODUÇÃO AOS FUNDAMENTOS DA TERMODINÂMICA

4

Em suas aplicações, a refrigeração industrial é um processo utilizado nas indústrias de alimentos, de processos e químicas, abrangendo dois terços das aplicações e indústria manufatureira e laboratório (STOECKER; JABARDO, 2002).

A seguir, iremos ver alguns casos onde se utiliza a refrigeração industrial:

• Armazenamento de alimentos não congelados.• Alimentos congelados.• Processamento de alimentos.

2.1.1 Armazenamento de alimentos não congelados

Acadêmico, você sabia que o tempo de exposição ou tempo de armazenamento da maioria dos alimentos pode ser aumentado através de um armazenamento a baixas temperaturas? A Figura 1 mostra o efeito da temperatura de armazenamento sobre o tempo de exposição de diversos alimentos.

FIGURA 1 – ESTIMATIVA DO TEMPO DE EXPOSIÇÃO DE DIVERSOS ALIMENTOS EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA

FONTE: Stoecker e Jabardo (2002, p. 2)

TÓPICO 1 — REFRIGERAÇÃO, AR CONDICIONADO E VENTILAÇÃO

5

Produtos armazenados em atmosfera controlada de dióxido de carbono (Figura 1): (1) Frango; (2) Peixe; (3) Carne; (4) Banana; (5) Laranja; (6) Maçã; (7) Ovos; (8) Maçã.

Pode-se observar na Figura 1 que com a redução da temperatura de armazenamento, aumenta-se o tempo de exposição do alimento.

Muitos alimentos não precisam de congelamento para que sejam armazenados, por exemplo: a banana, maçã, tomate, repolho, batata e cebola. A Tabela 1 indica a temperatura de armazenamento ótima para alguns desses produtos.

TABELA 1 – TEMPERATURAS RECOMENDADAS DE ARMAZENAMENTO, SEM CONGELAMENTO, DE DIVERSOS ALIMENTOS


Na Tabela 1, as temperaturas indicadas levam em consideração não somente a preservação do alimento como também os aspectos econômicos do armazenamento. Alguns produtos precisam de temperaturas maiores que o congelamento da água para preservar suas características, apesar de a maioria dos alimentos serem armazenados próximos a 0 °C. Devido ao açúcar e outras substâncias presentes em solução com água, que diminuem o ponto de congelamento, determinadas frutas podem ser armazenadas sem a formação de gelo até em temperaturas inferiores à temperatura de congelamento da água (STOECKER; JABARDO, 2002).


6

2.1.2 Alimentos congelados

Prezado acadêmico, você sabe como começou a prática de congelamento de alimentos?

Você sabia? Em meados de 1880, durante um transporte de carne da Austrália para a Inglaterra, observou-se que parte da carne congelou durante a viagem. Então verificaram que o congelamento não causou qualquer degradação nas características da carne, e assim, sua prática generalizou-se, surgindo, então, a indústria do alimento congelado. Posteriormente, Birdseye desenvolveu uma espécie de congelador de placas para congelar carne, frango, peixe e vegetais.

INTERESSANTE

Com o desenvolvimento das técnicas de congelamento rápido, foi possível congelar algum alimento em horas em vez de dias. Assim, evitava-se a formação de microcristais de gelo no interior do alimento.

Os métodos mais populares de congelamento são através de:

• túneis com ar a alta velocidade;• congelamento por contato (o alimento é disposto entre placas refrigeradas);• congelamento por imersão do alimento em salmoura a baixa temperatura;• congelamento criogênico (um fluido criogênico, normalmente nitrogênio, no

estado líquido, é colocados no interior da câmara de congelamento).

2.1.3 Processamento de alimentos

Até agora vimos exemplos em que o objetivo básico do armazenamento refrigerado de alimentos, congelados ou não, é a preservação de suas características.

Agora iremos aprender que a refrigeração também pode ser utilizada em processos de mudanças das características, ou mesmo da estrutura química, o que se chama processamento de alimentos.

Como exemplo de alimentos que sofrem processamento durante sua preparação, podemos citar: queijos e bebidas (como cerveja, vinhos e sucos cítricos, café instantâneo).


7

No processo de produção da cerveja ocorrem duas reações químicas principais durante o processo de fabricação:

1 - conversão do amido do grão em açúcar; 2 - fermentação, durante a qual o açúcar é convertido em álcool e dióxido de carbono.

NOTA

Como a fermentação é um processo exotérmico, o produto deve ser resfriado para evitar o aumento de temperatura suficiente que reduza ou interrompa a transformação do açúcar. A mistura em fermentação deve ser mantida a temperatura: que pode variar entre 7 e 13°C. No processo de maturação da cerveja, a refrigeração também é utilizada, visto que se necessita de um período de dois a três meses em ambiente refrigerado.

3 CONCEITOS E APLICAÇÕES DO AR-CONDICIONADO

Durante anos, o homem pensou em maneiras de amenizar os efeitos do calor. Invenções mais antigas, como ventiladores, abanadores e até mesmo o uso do gelo em larga escala, faziam parte dos métodos para amenizar a temperatura de um determinado ambiente (ARAÚJO, 2011).

Em 1902, o engenheiro Willis Carrier inventou um processo mecânico para condicionar o ar, tornando realidade o almejado controle climático de ambientes fechados para solucionar um problema pelo qual uma empresa de Nova Iorque passava. Ao realizar impressões em papel, o clima muito quente de verão e a grande umidade do ar faziam com que o papel absorvesse essa umidade de forma que as impressões saíam borradas e fora de foco. Então ele criou um processo que resfriava o ar, fazendo circular através de dutos resfriados artificialmente, o que também era capaz de reduzir a umidade do ar. E então, este foi o primeiro ar-condicionado contínuo por processo mecânico da história (ARAÚJO, 2011).

NOTA


8

De acordo com Araújo (2011), ar condicionados são sistemas que têm como objetivo a obtenção de condições específicas do ar de diferentes ambientes, de forma a possibilitar conforto térmico para as pessoas, ou garantir condições especiais exigidas por processos e/ou equipamentos.

De acordo com Stoecker e Jabardo (2002), o condicionamento de ar pode ser dividido em duas categorias distintas quanto ao seu objetivo: conforto e industrial.

Enquanto o ar condicionado para conforto está relacionado a proporcionar comodidade para as pessoas, o industrial tem por objetivo satisfazer condições de processos. O ar condicionado na indústria se diferencia de aquele para conforto em diversos aspectos, como: o nível da temperatura, as exigências de um controle adequado da umidade e um elevado índice de filtragem e remoção de contaminantes.

O ar condicionado na indústria pode ser encontrado em aplicações como:

• indústria editorial (rígido controle da umidade necessário para uma fixação adequada das cores em impressão colorida);

• indústria têxtil (busca-se limitar o rompimento de fibras e reduzir a eletricidade estática);

• indústria de material fotográfico e laboratórios.

Pode-se afirmar que a grande diferença entre o ar condicionado para conforto e para a indústria reside na maior precisão que este último exige no controle da temperatura (ARAÚJO, 2011).

NOTA

3.1 REFRIGERAÇÃO NA INDÚSTRIA DE MANUFATURA

As indústrias de manufatura operam frequentemente câmaras de teste que reproduzem, ou até superam com qualidade, em condições ambientais extremas que o produto precisa operar. Estas condições geralmente envolvem umidade e temperaturas extremas (limites superiores e inferiores).


9

3.2 REFRIGERAÇÃO NA INDÚSTRIA QUÍMICA E DE PROCESSOS

As indústrias químicas, petroquímicas, de refino de petróleo e farmacêutica são usuárias de sistemas de refrigeração de grande porte.

Entre as operações que normalmente exigem refrigeração, podem ser citadas as seguintes:

• separação de gases;• condensação de gases;• solidificação de uma espécie química de mistura para separá-la dos outros

componentes;• manutenção de líquido à baixa temperatura para controlar a pressão no interior

do vaso de armazenamento;• remoção do calor de reação.

10

Neste tópico, você aprendeu que:

• A refrigeração industrial, a exemplo do ar-condicionado, tem como objetivo a refrigeração de alguma substância ou meio.

• Os componentes básicos, de ambos os processos (refrigeração industrial e ar condicionado), não diferem: compressores, trocadores de calor, ventiladores, bombas, tubos, dutos e controles.

• Os processos de refrigeração industrial e ar-condicionado se distinguem em diversos aspectos, como componentes, procedimentos de projeto e mercado.

• A refrigeração industrial pode ser caracterizada de duas formas: pela sua faixa de temperatura de operação, ou através de suas aplicações.

• A refrigeração industrial pode ser descrita como o processo utilizado nas indústrias químicas, de alimentos e de processos, envolvendo dois terços das aplicações e indústria manufatureira e laboratório.

• Ar condicionados são sistemas que visam à obtenção de condições específicas de ar nos diversos tipos de ambiente, de modo a proporcionar conforto térmico aos ocupantes, ou proporcionar condições especiais exigidas por equipamentos e/ou processos.

• O ar condicionado na indústria diferencia-se de aquele para conforto em diversos aspectos, como: o nível da temperatura, as exigências de um controle adequado da umidade e um elevado índice de filtragem e remoção de contaminantes.

RESUMO DO TÓPICO 1

11

1 As afirmativas abaixo se referem às características da refrigeração industrial:

I- Na refrigeração industrial, as temperaturas podem atingir valores entre -40 °C a -90 °C no seu limite inferior e 20 °C no seu limite superior.

II- A refrigeração industrial é um processo que pode ser caracterizado pelas suas aplicações, utilizado nas indústrias químicas, de alimentos e de processos.

III- A refrigeração de ar é um subproduto do condicionamento de ar.IV- Problemas típicos de operação a baixas temperaturas são normais em

instalações de refrigeração industrial.V- A refrigeração industrial pode ser utilizada em armazenamento de

alimentos não congelados, em alimentos congelados e no processamento de alimentos.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I, II e V.b) ( ) Apenas II, IV e V.c) ( ) Apenas I e V.d) ( ) Apenas III e V.e) ( ) Todas estão corretas.

2 Com relação ao armazenamento de alimentos não congelados, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) A temperatura de armazenamento é diretamente proporcional ao tempo de exposição do alimento.

b) ( ) A partir do ponto de congelamento da água, todos os alimentos experimentam a formação de gelo.

c) ( ) O tempo de exposição da maioria dos alimentos pode ser incrementado através de um armazenamento a baixas temperaturas.

d) ( ) A maioria dos produtos exige temperaturas superiores ao congelamento da água para preservar suas características.

e) ( ) Após a colheita, as frutas e verduras frequentemente se encontram levemente aquecidas. O resfriamento deve ocorrer lentamente, em condições ambientais.

3 Com relação ao condicionamento de ar, considere as afirmativas a seguir:

I- O condicionamento de ar necessita de uma mão de obra mais especializada e um custo maior de projeto com relação à refrigeração industrial.

II- Sistemas de condicionamento de ar são geralmente montados em fábrica, sendo dotados de pontos de conexão hidráulica e elétrica.

AUTOATIVIDADE

12

III- O condicionamento de ar pode ser dividido em duas categorias quanto ao seu objetivo: conforto e industrial.

IV- A grande semelhança entre os tipos de condicionamento é a exigência na precisão do controle de temperatura.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas II e III.b) ( ) Apenas II, III e IV.c) ( ) Apenas I e IV.d) ( ) Apenas III e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

4 Com relação ao estudo sobre refrigeração industrial e ar condicionado, cite casos em que estes processos podem ser utilizados:

5 Durante anos o homem pensou em maneiras de amenizar os efeitos do calor. Invenções mais antigas, como ventiladores, abanadores e até mesmo o uso do gelo em larga escala faziam parte dos métodos para amenizar a temperatura de um determinado ambiente. Como surgiu o ar-condicionado?

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PRINCIPAIS CONCEITOS RELACIONADOS À

TERMODINÂMICA

1 INTRODUÇÃO

Segundo o dicionário Michaelis, Termodinâmica (termo + dinâmica) é “o estudo das mútuas relações entre os fenômenos caloríficos e os mecânicos” (MICHAELIS, 2020, on-line).

Termodinâmica é o ramo da ciência que estuda os fenômenos das mudanças, em geral, na temperatura e na pressão de um sistema (PIZZO, 2015).

Prezado acadêmico, veremos nesta unidade que calor e trabalho são meios de transferência de energia intercambiáveis entre si, que surgem nas interações entre os sistemas termodinâmicos e suas vizinhanças. Podemos verificar os princípios fundamentais da termodinâmica nas máquinas de alta tecnologia, assim como em nossas casas, por exemplo, na geladeira, na garrafa térmica, ao desejar esfriar um refrigerante, nos aparelhos de ar-condicionado e entre diversos outros exemplos.

Neste tópico vamos estudar sobre os principais conceitos da termodinâmica para desenvolver maior entendimento sobre a realidade de funcionamento da refrigeração industrial, ar condicionado e ventilação.

2 CONCEITOS BÁSICOS

A termodinâmica é a parte da física que estuda os fenômenos relacionados ao trabalho, energia, calor e entropia, e às leis que governam os processos de conversão de energia (PIZZO, 2015).

Na engenharia, a termodinâmica é utilizada para o estudo de processos que ocorrem em equipamentos industriais de grande relevância, como em ar-condicionados, motores a reação, em refrigeradores por compressão de vapor, em centrais termoelétricas, em equipamentos de decomposição do ar e muitos outros (PIZZO, 2015).

Prezado aluno, o domínio da termodinâmica é essencial para que o engenheiro possa projetar estes equipamentos e sistemas com o objetivo de construí-los dentro do menor custo razoável e obter destes em operação a maior eficiência energética possível.

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Agora iremos recordar alguns conceitos básicos na termodinâmica.

2.1 TEMPERATURA

O entendimento do conceito de temperatura é vital para o estudo da termodinâmica. A temperatura, como variável termodinâmica que expressa o nível de agitação das partículas constituintes de um material, apresenta importante informação sobre o sistema que sofre um processo (PIZZO, 2015).

A temperatura é uma propriedade da matéria que mede o nível energético de um corpo. Alta temperatura indica um alto nível de energia do corpo e, neste caso, diz-se que o corpo está quente (PENA, 2002).

A temperatura é uma função da energia cinética interna, sendo um índice da velocidade molecular, expressa em graus Celsius (°C), no sistema internacional em graus Fahrenheit (°F), e outras unidades (PENA, 2002).

O calor é um meio de transferir energia para um corpo a partir de seu contato com outro material que apresenta temperatura diferente da dele. A energia interna de uma substância é dada pela agitação das moléculas de um corpo. Se um sistema recebe energia dos arredores por conta de uma transferência de calor, seus constituintes passam a ter mais energia de agitação (PIZZO, 2015).

No gelo, as moléculas estão praticamente paradas e juntas, formando o sólido que conhecemos. No vapor d´água, as moléculas estão afastadas e bem agitadas, formando o gás que observamos sair de uma panela quando estamos fervendo água (PIZZO, 2015).

Temperatura é uma unidade de medida física do grau de agitação das moléculas. Observe que os conceitos de energia, calor e temperatura estão associados, mas possuem significados bastante distintos (PENA, 2002).

2.2 CALOR

Quando a energia térmica passa de um ente material (corpo, matéria, substâncias ou sistema) para outro, dizemos que a energia térmica foi transferida, ou que houve transferência de calor. As formas de transferência de calor são chamadas condução, convecção e radiação (PIZZO, 2015).

Na condução de energia térmica, a energia é literalmente conduzida partícula a partícula até a região de menor energia térmica, desde que haja o contato entre dois meios materiais com diferentes temperaturas. Não há transferência de massa nesse processo. As partículas mais energizadas vibram e transferem

TÓPICO 2 — PRINCIPAIS CONCEITOS RELACIONADOS À TERMODINÂMICA

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energia para as partículas vizinhas menos energizadas, que passam a se agitar mais e, por isso, podem transmitir energia para as partículas seguintes e assim por diante. Por isso, para que haja condução de energia térmica, é necessário haver um meio material (PIZZO, 2015).

No vácuo, a condução de energia térmica não acontece, já que não existem partículas para participar do processo de transferência (PIZZO, 2015).

NOTA

A convecção de energia térmica ocorre quando um fluido, podendo ser líquido, gás ou vapor, é aquecido ou resfriado e sua densidade varia localmente. A partir das variações locais de densidade, estabelecem-se as chamadas correntes de convecção, implicando o escoamento natural do fluido. Isto causa a mistura macroscópica das partes mais aquecidas com as menos aquecidas, e o saldo é a maior transferência de calor entre o fluido com as vizinhanças, do que a que ocorreria simplesmente pela condução (PIZZO, 2015).

O mecanismo de convecção pode se tornar mais efetivo, promovendo o escoamento forçado do fluido, por meio de bombas, ventiladores, sopradores ou compressores (PIZZO, 2015).

Você sabia que o modo de funcionamento de um aparelho de ar-condicionado relaciona-se à convecção de energia térmica? Prezado acadêmico, note que o ar-condicionado é posicionado no alto do recinto a ser refrigerado, já que a massa de ar de seus arredores, cuja temperatura será reduzida, tem seu volume diminuído e, consequentemente sua densidade aumentada. Ou seja, o ar mais frio desce e o espaço anteriormente ocupado por ele passa a ser ocupado pelo ar mais quente, que sobe, criando a corrente de convecção (PIZZO, 2015).

NOTA

Calor é energia em trânsito e esse meio de transferência de energia só existe quando há uma diferença de temperatura entre dois corpos.

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O que acontece para que esses dois corpos adquiram uma mesma temperatura de equilíbrio é a transferência de energia, transferência de calor. Desta forma, definimos calor como a energia que se transporta para que dois ou mais corpos adquiram a mesma temperatura (PIZZO, 2015).

Mas prezado acadêmico, por que ocorre essa transferência de energia? Porque a tendência é que haja um equilíbrio térmico. Por exemplo, quando você desliga um aparelho que estava quente, a tendência dele é esfriar! Neste caso, esfriar significa entrar em equilíbrio térmico com o ambiente.

2.2.1 Calor Sensível

Por exemplo, se tomarmos uma porção de matéria – a água na fase líquida, temperatura ambiente de 25 °C, e a aquecermos até 99 °C a uma pressão atmosférica normal (760 mmHg), dizemos que introduzimos calor sensível (PENA, 2002).

Então, toda vez que introduzimos (ou removemos) calor de um corpo, variando sua temperatura, sem, contudo, mudar de estado, dizemos que recebeu (ou perdeu) calor sensível (PENA, 2002).

Prezado acadêmico, você já observou que alguns materiais parecem aquecer ou resfriar mais fácil e rapidamente do que outros? E que uma massa maior de um material necessita de mais calor ou mais tempo para aquecer em comparação a uma massa menor do mesmo material?

Cada material possui uma capacidade calorífica diferente, isto é, para aumentar em uma unidade a temperatura de um quilograma de um material, é preciso verificar quanto vale a sua capacidade calorífica. Esta capacidade é uma propriedade física e também é chamada de calor específico de um material (PIZZO, 2015).

Em outras palavras, a variação de temperatura de uma determinada massa dependerá da quantidade de calor transferido e de seu calor específico, através da Equação 1:

Equação 1

Sendo:Q = quantidade de calor;m = massa;c = calor específico do material envolvido;Δθ = variação de temperatura (Δθ = θfinal - θinicial).


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O valor de Q pode ser negativo se o corpo ou o sistema em questão está perdendo ou cedendo calor ao ambiente (Δθ < 0).

O valor de Q pode ser positivo se o corpo ou o sistema está recebendo energia térmica do ambiente (Δθ > 0).

As unidades de medida mais comuns do calor são a caloria (cal, ou seu múltiplo, kcal = 1000 cal) e o joule (J), vale lembrar que 1 cal = 4,186 J. O joule é a unidade de medida de energia no Sistema Internacional de Pesos e Medidas, por isto, é recomendável que se memorize a relação entre calorias e joules.

Outra unidade ainda em uso é o Btu, formada pelas iniciais de British termal unit, ou seja, unidade térmica britânica. Esta unidade de medida relaciona-se à temperatura medida em Fahrenheit e possui a seguinte relação com as unidades de medida de joules e de calorias.

1 Btu = 252 cal = 1.055 J

NOTA

A unidade de medida do calor específico dos materiais é obtida a partir da análise dimensional dos termos que se relacionam a ele na Equação 2. Isolando o calor específico nesta equação, temos:

Equação 2

Utilizamos as unidades de medida referentes às grandezas relacionadas em suas posições na equação, adequando as grandezas de acordo com seus grupos no Sistema Internacional de Pesos e Medidos, obtém-se a Equação 3:

Equação 3

A unidade de calor específico de um material no SI é , já que a unidades de calor, de massa e da variação da temperatura são, respectivamente, joules, quilogramas e kelvin.

A Tabela 2 demonstra alguns valores típicos de calor específico de alguns materiais.

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TABELA 2 – CALOR ESPECÍFICO TÍPICO DE ALGUNS MATERIAIS

FONTE: Young e Freedman (2008, p.193)

Pode-se observar pela Tabela 2, que o calor específico da água vale 4190 J/kg.K, que na unidade de medida que relaciona calorias e gramas a graus Celsius é equivalente a 1 cal/g.°C.

2.2.2 Calor Latente

As substâncias puras podem ser aquecidas ou perder calor até que atinjam uma temperatura de mudança de fase. Nesse ponto do processo, o calor recebido ou cedido pela substância não altera o valor de sua temperatura, mas ocasiona a mudança de fase. Após ocorrer a completa mudança de fase, é possível aumentar ou diminuir a temperatura do sistema novamente. Observe a Figura 2, que demonstra de forma prática esse conceito.


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FIGURA 2 – GRÁFICO DA ÁGUA EM FUNÇÃO DO TEMPO E DA TEMPERATURA

FONTE: Young e Freedman (2008, p.194)

Se tomarmos a água do exemplo acima e a levarmos a 100 °C (212 F) em pressão atmosférica normal (760 mmHg), e depois introduzirmos uma quantidade adicional de calor, vamos observar que terá início a mudança de fase, ou seja, vaporização. Se medirmos a temperatura da água durante toda a vaporização, veremos que a temperatura permanece a 100 °C (212 F). Neste caso, o calor introduzido é dito calor latente (PENA, 2002).

O calor necessário, por unidade de massa, para que determinada substância mude de fase, chama-se calor latente. No caso da água, para que 1kg de gelo na temperatura de 0 °C transforme-se em 1kg de água líquida a 0 °C, é preciso absorver 3,34.105 J de energia em condições normais de pressão atmosférica. Para o processo contrário acontecer (água líquida transformar-se em gelo na temperatura de 0 °C), o sistema precisa ceder essa mesma quantidade de energia ou calor latente. A perda de energia do sistema é indicada pelo sinal negativo (PIZZO, 2015).

Logo, toda vez que há troca de calor com mudança de temperatura, sem mudança de estado físico, o calor cedido ou removido é dito sensível. No momento em que a troca de calor acarreta em mudança de estado físico, sem ser acompanhado por mudança de temperatura, dizemos que houve troca de calor latente (PENA, 2002).

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Então, a quantidade de energia, na forma de calor latente, necessária a um processo de mudança de fase, é dada pela Equação 4:

Equação 4

Assim, são necessários sucessivos cálculos para o estudo de um processo termodinâmico que envolve aquecimento e resfriamento com transição de fase, de modo a obter o valor da quantidade de energia necessária transferida como calor.

2.3 UMIDADE RELATIVA DO AR

A umidade relativa (Equação 5) é a relação aproximada entre as massas de vapor d’água presente em um volume e a massa de vapor que saturaria aquele volume a mesma temperatura e pressão total (PENA, 2002).

Equação 5

A umidade relativa do ar pode ser medida com auxílio de higrômetros, sendo que os técnicos de ar-condicionado usam mais comumente os psicrômetros (Figura 3), que são formados por dois termômetros basicamente, um de bulbo seco e outro úmido. Com estas medidas, a umidade pode ser lida numa carta psicrométrica, que veremos mais para frente (PENA, 2002).

FIGURA 3 – PSICRÔMETRO GIRATÓRIO

FONTE: <www.salcas.com.br/psicrometro-giratorio-sa-5204>. Acesso em: 18 fev. 2021.


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2.4 AR ATMOSFÉRICO, AR SECO E AR ÚMIDO

Ar atmosférico, ou simplesmente ar, é o resultado de um grande número de constituintes gasosos, bem como vapor de água. Define-se ar seco como o ar atmosférico de cuja composição se exclui o vapor de água. Quando ocorre a mistura de ar seco e vapor de água, tem-se o chamado ar úmido. Em conformidade com essa definição, o ar atmosférico que nos circunda é ar úmido (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

A composição do ar seco pode ser considerada constante, mas sofre pequenas variações em função da altitude, do tempo, de contaminantes e até mesmo da posição geográfica (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

Os componentes principais do ar seco estão indicados na Tabela 3, classificados de acordo com sua participação volumétrica, sendo dominantes os gases nitrogênio e oxigênio.

TABELA 3 – PRINCIPAIS CONSTITUINTES DO AR SECO

FONTE: Psico (201?, p. 29).

2.4.1 Temperatura de bulbo seco do ar

É a temperatura indicada para a mistura ar-vapor, por um termômetro comum. Esta temperatura é a mesma para ambos os elementos da mistura, ou seja, do vapor e ar.

2.4.2 Temperatura de bulbo úmido do ar

Esta temperatura é obtida por um termômetro em que o bulbo está envolto numa gaze molhada. Uma corrente de ar entra no sistema até a temperatura da mistura ar-vapor/bulbo ficar em equilíbrio e parar de baixar. Esta temperatura será inferior ao de Bulbo Seco (PENA, 2002).

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3 ENTALPIA

A entalpia é uma variável termodinâmica que mede a energia térmica envolvida na reação química. De maneira geral, trabalha-se com diferenças de entalpias. E esta diferença corresponde à quantidade de calor trocado pelo ar (mistura ar-vapor) entre duas posições (PENA, 2002).

A entalpia total da mistura H é dada pela contribuição isolada das entalpias totais do ar seco (Ha) e do vapor de água (Hv). Assim:

Equação 6

A entalpia específica da mistura, h, é obtida dividindo-se a Equação 6 pela massa de ar seco, como na Equação 7:

Equação 7

Considerando que a umidade absoluta é a razão entre as massas de vapor e de ar seco, tem-se a seguinte Equação 8, final:

Equação 8

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RESUMO DO TÓPICO 2


• A termodinâmica é a parte da física que estuda os fenômenos relacionados com trabalho, energia, calor e entropia, e as leis que governam os processos de conversão de energia.

• Na engenharia, a termodinâmica é utilizada para a análise de diversos processos que ocorrem em equipamentos industriais de grande importância, tais como centrais termoelétricas, refrigeradores por compressão de vapor, motores a reação, ar condicionados, equipamentos de decomposição do ar e muitos outros.

• Termodinâmica é o ramo da ciência que estuda os fenômenos das mudanças, em geral, na temperatura e na pressão de um sistema.

• A temperatura, como variável termodinâmica que expressa o nível de agitação das partículas constituintes de um material, apresenta importante informação sobre o sistema que sofre um processo.

• A temperatura é uma propriedade da matéria.

• A temperatura é uma medida do nível energético de um corpo.

• A temperatura é uma função da energia cinética interna, sendo um índice da velocidade molecular, expressa e, graus Celsius (°C), no sistema internacional Fahrenheit (F), e outras unidades.

• O calor é um meio de transferir energia para um corpo a partir de seu contato com outro material que apresenta temperatura diferente.

• No gelo, as moléculas estão praticamente paradas e juntas, formando o sólido que conhecemos. No vapor d´água, as moléculas estão afastadas e bem agitadas, formando o gás que observamos sair de uma panela quando estamos fervendo água.

• Conceitos de energia, calor e temperatura estão associados, mas possuem significados bastante distintos.

• As formas de transferência de calor são chamadas condução, convecção e radiação.

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• Na condução de energia térmica, a energia é literalmente conduzida partícula a partícula até a região de menor energia térmica desde que haja o contato entre dois meios materiais com diferentes temperaturas.

• Não há transferência de massa no processo de condução de energia térmica.

• Para que ocorra a condução de energia térmica, é necessário haver um meio material.

• No vácuo, a condução de energia térmica não acontece, já que não existem partículas para participar do processo de transferência.

• A convecção de energia térmica ocorre quando um fluido, podendo ser líquido, gás ou vapor, é aquecido ou resfriado e sua densidade varia localmente.

• O mecanismo de convecção pode se tornar mais efetivo, promovendo o escoamento forçado do fluido, por meio de bombas, ventiladores, sopradores ou compressores.

• Toda vez que introduzimos (ou removemos) calor num corpo, variando sua temperatura, sem, contudo, mudar de estado, dizemos que recebeu (ou perdeu) calor sensível.

• Cada material possui uma capacidade calorífica diferente, isto é, para aumentar em uma unidade a temperatura de um quilograma de um material, é preciso verificar quanto vale a sua capacidade calorífica. Esta capacidade é uma propriedade física e também é chamada de calor específico de um material.

• A variação de temperatura de uma determinada massa dependerá da quantidade de calor transferido e de seu calor específico.

• As unidades de medida mais comuns do calor: são a caloria (cal, ou seu múltiplo, kcal=1000 cal) e o joule (J), vale lembrar que 1 cal=4,186 J. O joule é a unidade de medida de energia no Sistema Internacional de Pesos e Medidas.

• Toda vez que há troca de calor com mudança de temperatura, sem mudança de estado físico, o calor cedido ou removido é dito sensível. No momento em que a troca de calor acarreta em mudança de estado físico, sem ser acompanhado por mudança de temperatura, dizemos que houve troca de calor latente.

• Temperatura de bulbo seco do ar é a temperatura indicada para a mistura ar-vapor por um termômetro comum. Esta temperatura é a mesma para ambos os elementos da mistura, ou seja, do vapor e ar.

• De maneira geral, trabalha-se com diferenças de entalpias. Esta diferença corresponde à quantidade de calor trocado pelo ar (mistura ar-vapor) entre duas posições.

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1 Com relação ao conceito de temperatura no estudo da termodinâmica, assinale a alternativa INCORRETA:

a) ( ) Uma alta temperatura é um indicativo de baixo nível de energia no corpo.

b) ( ) Temperatura é uma variável termodinâmica que expressa o nível de agitação das partículas constituintes de um material.

c) ( ) A energia cinética interna do corpo está relacionada com a temperatura e é um índice da velocidade molecular.

d) ( ) A temperatura é uma propriedade da matéria que mede o nível energético de um corpo.

e) ( ) A temperatura é uma unidade de medida física do grau de agitação das moléculas.

2 O calor é um conceito que está associado com energia e temperatura. Com base nos seus conhecimentos sobre termodinâmica, considere as afirmativas a seguir:

I- O calor é um meio de transferir energia para um corpo a partir de seu contato com outro material que apresenta temperatura diferente da dele.

II- A energia térmica pode ser conduzida, partícula a partícula, até a região de maior energia térmica, desde que haja contato entre dois corpos com temperaturas diferentes, no processo de condução térmica.

III- Na condução de energia térmica é necessário haver um meio material.IV- A convecção de energia térmica ocorre quando um fluido é aquecido

ou resfriado e sua densidade varia localmente. A partir das variações locais de densidade, estabelecem-se as chamadas correntes de convecção, implicando o escoamento natural do fluido, que causa uma mistura macroscópica das partes mais aquecidas com as menos aquecidas, causando uma transferência de calor entre o fluido com as vizinhanças.

Assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) Apenas I e III.b) ( ) Apenas I, III e IV.c) ( ) Apenas I e IV.d) ( ) Apenas III e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

3 A partir do estudo da termodinâmica neste tópico, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Calor sensível corresponde à quantidade de calor que um determinado corpo recebe ou perde, mudando sua temperatura e seu estado físico.

AUTOATIVIDADE

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b) ( ) Todos os materiais apresentam o mesmo valor de capacidade calorífica.c) ( ) Calor latente é a quantidade de calor recebida ou cedida por um

determinado corpo que não altera o valor de sua temperatura, mas ocasiona mudança do seu estado físico.

d) ( ) Após a mudança de fase de um corpo, não é mais possível aumentar ou diminuir a temperatura do sistema novamente.

e) ( ) Joule é uma unidade de medida de energia no Sistema Internacional de Pesos e Medidas, e 1 J equivale a 4,186 cal.

4 Quando a energia térmica passa de um ente material (corpo, matéria,

substâncias ou sistema) para outro, dizemos que a energia térmica foi transferida ou que houve transferência de calor. As formas de transferência de calor são chamadas condução, convecção e radiação. Qual delas é utilizada no funcionamento de um aparelho de ar-condicionado?

5 Você já observou que alguns materiais parecem aquecer ou resfriar mais fácil e rapidamente do que outros? E que uma massa maior de um material necessita de mais calor ou mais tempo para aquecer em comparação a uma massa menor do mesmo material? Explique por que isso ocorre?

6 A umidade relativa é a relação aproximada entre as massas de vapor d’água presente em um volume e a massa de vapor que saturaria aquele volume a mesma temperatura e pressão total. Como a umidade relativa do ar pode ser medida?

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CARGAS TÉRMICAS SOBRE UMA

EDIFICAÇÃO E PSICROMETRIA

1 INTRODUÇÃO

O estudo da psicrometria é a parte da termodinâmica que tem por objetivo o estudo das propriedades do ar úmido.

De forma a obter resultados para diferentes aplicações de processos industriais e de conforto ambiental, máquinas e processos que manipulam o ar úmido foram desenvolvidos por engenheiros (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

Os usos dos conceitos de psicrometria são diversos nas indústrias de papel, alimentícia e têxtil, bem como no armazenamento e no beneficiamento de produtos agrícolas, na meteorologia, em sistemas de climatização, entre outros.

2 DIAGRAMA PSICROMÉTRICO

Também chamado comumente de carta psicrométrica, este é um gráfico que permite obter o traçado de diversos processos, bem como determinar os estados e as propriedades do ar úmido.

Sua construção está baseada no fato de que o estado termodinâmico de uma mistura de dois gases, como o ar, é determinado por três propriedades independentes. Assim, se uma das três propriedades for mantida constante, as duas outras podem vir a formar os eixos de um gráfico no plano do papel (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

Nesse gráfico, as demais isolinhas das propriedades psicrométricas restantes são construídas. Qualquer ponto sobre o gráfico definirá o estado da mistura.

Normalmente, a pressão da mistura é eleita como a propriedade que é mantida constante, já que na maioria dos processos psicrométricos ela é invariável ou varia pouco (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

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De fato, todos os diagramas psicrométricos são construídos para uma dada pressão de mistura. Em princípio, tendo sido estabelecida a pressão da mistura, quaisquer outras duas propriedades poderiam ser utilizadas na construção dos eixos (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

A Figura 4 ilustra um tipo construtivo de diagrama h x ω, muito comum em alguns países europeus.

FIGURA 4 – EXEMPLO DE UM DIAGRAMA DO TIPO H X Ω USADO EM ALGUNS PAÍSES DA EUROPA

FONTE: Moreira e Hernandez Neto (2019, p. 93)

Na Figura 4, as isolinhas de entalpia específica são paralelas entre si e inclinadas em um certo ângulo em relação à horizontal. As isolinhas de umidade absoluta são verticais e formam o eixo horizontal do diagrama (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

As linhas inclinadas em relação à horizontal e aproximadamente retas são as linhas de temperatura de bulbo seco constantes. As isolinhas de temperatura de bulbo úmido constantes são retas e quase paralelas às isolinhas de entalpia específicas (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

A linha de saturação está indicada e também corresponde à linha de umidade relativa igual a 100%. As demais isolinhas de umidade relativa acompanham mais ou menos a curvatura da linha de saturação (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

O aspecto construtivo do diagrama de Mollier adotado é o que aparece ilustrado na Figura 5.

TÓPICO 3 — CARGAS TÉRMICAS SOBRE UMA EDIFICAÇÃO E PSICROMETRIA

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FIGURA 5 – ILUSTRAÇÃO DO DIAGRAMA PSICROMÉTRICO DO TIPO Ω X H


O eixo da umidade absoluta está na vertical e a escala é colocada à direita do diagrama. As isolinhas de entalpia específica também são inclinadas em relação à vertical, porém a um ângulo tal que o aspecto final do diagrama é como se este fosse um diagrama cartesiano do tipo ω x TBS, embora não o seja (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

2.1 CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE MOLLIER

O diagrama de Mollier pode ser construído em coordenadas cartesianas. Entretanto, a experiência mostra que bons resultados de intersecção e disposição das isolinhas de propriedades são obtidos quando a linha de entalpia específica constante é oblíqua, enquanto a linha de unidade absoluta é vertical (MOREIRA, HERNANDEZ NETO, 2019).

De acordo com Moreira e Hernandez Neto (2019), as linhas de entalpia específica formam um ângulo β com relação à horizontal. A linha 1-2 é uma linha reta qualquer, Lw representa a diferença entre as umidades absolutas ω2-ω1. Lh indica a diferença entre as entalpias específicas h2-h1. As seguintes relações trigonométricas podem ser obtidas pela Equação 9:

Equação 9

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E a Equação 10:

Equação 10

Eliminando a e b das equações anteriores, tem-se a Equação 11:

Equação 11

A Figura 6, a seguir, é um diagrama tipo ω x h que apresenta a geometria de um processo genérico.

FIGURA 6 – GEOMETRIA DE UM PROCESSO GENÉRICO NO DIAGRAMA TIPO Ω X H


Sejam os seguintes fatores de escala (Equação 12):

Equação 12

E a Equação 13:

Equação 13


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Em que:

S=Sh/Sω é o fator de escala do diagrama dado kJ/kg vapor; e q= (h2-h1) / (ω2-ω1) é a razão entalpia específica-umidade absoluta dada em kJ/kg vapor.

Finalmente, substituindo as equações anteriores, obtém-se a seguinte forma trigonométrica fundamental (Equação 14):

Equação 14

A Equação 14 é a equação geral do diagrama psicrométrico, usada para a construção das várias isolinhas. A construção do diagrama é iniciada com a definição do ângulo de inclinação das linhas de entalpia específica, β.

Embora β possa ser um ângulo qualquer, existe um artifício para selecioná-lo, de forma que o diagrama tenha um bom aspecto visual e se pareça com um diagrama cartesiano retangular.

O método consiste em escolher um valor de β tal que a linha de maior temperatura de bulbo seco (TBS) do diagrama seja vertical e coincidente com o eixo vertical da unidade (MOREIRA; HERNANDEZ NETO, 2019).

3 ROTEIRO DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA PSICROMÉTRICO

Caro acadêmico, com o objetivo de ilustrar o uso da Equação 14 do diagrama psicrométrico e sua importância na construção do diagrama, as relações para misturas de gases perfeitos serão utilizadas.

Para isso, construa um diagrama psicrométrico com as seguintes características:

• umidade absoluta entre 0 e 0,04 kg vapor/kg ar seco;• faixa de variação da entalpia específica sobre o eixo das abscissas entre

-10,06 kJ/kg e 50,34 kJ/kg ar seco. Note que os limites dessa faixa de entalpia correspondem às temperaturas do ar seco a -10 °C e 50 °C, na ordem;

• dimensão geométrica: altura (Lh)= 12 cm; comprimento (Lω) = 20 cm.

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3.1 FATORES DE ESCALA

Inicialmente, calcule os fatores de escala da entalpia, da umidade e a razão entre eles:

Fator de escala da entalpia: Sh= (50,34+10,06)/20 = 3,02 (kJ/kg ar seco)/cm.Fator de escala da umidade: Sσ= (0,04-0)/12= 0,00333 (kg vapor/kg ar seco)/

cm.Fator de escala: S=Sh/Sω=3,02/0,00333= 906,0 kJ/kg vapor.

3.2 LINHAS DE ENTALPIA ESPECÍFICA

Depois do cálculo do fator de escala, trace os dois eixos com as medidas estabelecidas (12 cm x 20 cm). As linhas de entalpia específica são paralelas, retas e possuem espaçamento igual entre si. Como mencionado, o ângulo de inclinação, β, é escolhido de forma que a linha de maior TBS (50 °C), seja vertical (α = 90°C) e coincidente com o eixo da umidade absoluta. Assim, da relação fundamental (Equação 14), tem-se a Equação 15:

Equação 15

Ou a Equação 16:

Equação 16

No contexto da equação fundamental, os estados dos índices “1” e “2” referem-se às extremidades da referida linha de TBS = 50°C constante coincidente com o eixo da umidade absoluta.

Mas ainda é possível relacionar a diferença de entalpias específicas entre as extremidades da linha, lembrando que as entalpias específicas do vapor e do ar seco nos estados “1” e “2” possuem o mesmo valor, pois trata-se de um processo isotérmico, o que resulta em (Equação 17):

Equação 17

Para TBS = 50 °C, temos tabelado que hv = 2592,1 kJ/kg. Então tem-se a Equação 18:


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Equação 18

Não custa enfatizar que a fixação da inclinação das linhas de entalpia (ângulo β) é arbitrária. O valor do ângulo de inclinação β deve ser selecionado considerando a aparência final do diagrama para que, por exemplo, a linha de maior TBS do diagrama seja vertical.

Agora estabeleça alguns valores notáveis para as linhas isoentálpicas, por exemplo, -10, 0, 10, 20...

Usando uma regra de três, localize a distância relativa (em centímetros) de duas dessas linhas consecutivas no eixo horizontal, lembrando que os dois valores extremos de entalpia específica no eixo horizontal são conhecidos (h = -10,06 kJ/kg corresponde à extremidade esquerda do eixo horizontal e h = 5034 kJ/kg é a máxima entalpia específica no eixo horizontal, enquanto a linha de h = 30 kJ/kg ar seco distancia-se 13,26 cm a partir do início do eixo.

Trace as linhas a partir do eixo horizontal até a linha de saturação com uma inclinação β = 19,26°. Após ter traçado essas duas linhas, as demais são paralelas e separadas igualmente entre si, e a distância (vista na horizontal) entre duas isoentálpicas vale 3,31 cm para uma Δh de 10 kJ/kg ar seco.

A Figura 7 mostra esta etapa da construção do diagrama:

FIGURA 7 – ETAPA 1 DA CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA PSICROMÉTRICO


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3.3 LINHA DE SATURAÇÃO

A linha de saturação é prontamente traçada pelo emprego de uma equação de pressão de vapor, ou conforme o caso, em conjunto com a definição de umidade absoluta.

Em termos práticos, obtém-se diversos valores de pressão de vapor para a faixa de temperatura de bulbo seco coberta (-10 °C ≤ TBS ≤ 50 °C) e, com esses valores, calculam-se as umidades absolutas correspondentes na saturação.

Em seguida, para cada valor de temperatura e sua correspondente umidade absoluta saturada, obtém-se a entalpia específica por meio, por exemplo. Assim, cada valor de temperatura gerou coordenadas ω e h, e agora é só marcá-las no diagrama.

Finalmente, os pontos são unidos para obter a linha umidade absoluta saturada, ϕ = 100%, como ilustrado na Figura 6. A Figura 8 indica vários pontos conectados e um ponto genérico “1” de coordenadas h1 e ω1.

FIGURA 8 – ETAPA 2 DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA PSICROMÉTRICO


3.4 LINHAS DE TEMPERATURA DE BULBO SECO

Uma vez estabelecido o ângulo β, todas as demais linhas podem ser traçadas. As linhas isotérmicas, TBS constante, serão obtidas a partir da equação geral do diagrama (Equação 19):

Equação 19


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Ou pela Equação 20:

Equação 20

Isso porque a razão entalpia específica-umidade absoluta, q = (h2-h1) / (ω2-ω1), dividida pelo fator de escala, S, resume-se a hv/906,0 para isotérmicas. Como a entalpia do vapor varia com a temperatura, a inclinação das linhas isotérmicas também varia proporcionalmente, o que é comprovável por meio da análise da equação anterior.

Por exemplo, para a linha de TBS = 10 °C, tem-se hv = 2519,8 kJ/kg vapor, e da última equação tem-se α = 94,6°. Isso significa que, nesse diagrama, a linha de TBS = 10 °C é traçada. O mesmo procedimento é seguido para as outras linhas isotérmicas.

As linhas de TBS constantes não são paralelas entre si. Elas não são só espaçadas diferentemente como também possuem inclinações distintas. Esta etapa do diagrama está ilustrada na Figura 9:


FONTE: Moreira e Hernandez Neto (2019, p.101)

3.5 LINHAS DE TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO

Um procedimento similar ao usado para traçar as linhas de TBS constantes é utilizado para se obter as isolinhas de TBU. O importante é obter a relação entalpia específica-umidade absoluta q correspondente, o que é feito a partir da sua definição, q = (h2-h1) / (ω2-ω1). Nesse caso, em que o processo que liga os estados “1” e “2” é um processo de TBU constante, tem-se a Equação 21:

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Equação 21

E a Equação 22:

Equação 22

Subtraindo-se a primeira expressão da segunda e substituindo o resultado na definição de q, tem-se a Equação 23:

Equação 23

E, então q = h*L.

Finalmente, substituindo q, juntamente com os valores de S = 906,0 e o ângulo β = 19,26°, o resultado é apresentado na Equação 24:

Equação 24

Para cada valor de TBU, a entalpia da água líquida (ou sólida) pode ser obtida através dos dados da Tabela 4.


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TABELA 4 – DADOS PARA CÁLCULO DAS LINHAS PARA O DIAGRAMA PSICROMÉTRICO

FONTE: A autora

Em seguida, o mesmo procedimento usado para construir as isolinhas de TBS é empregado.

Ou seja, primeiramente obtêm-se as entalpias correspondentes, depois obtêm-se as posições para cada caso sobre o eixo horizontal por meio de uma regra de três e, finalmente, com os ângulos α particulares traçam-se as linhas (Figura 10).

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É muito comum que se admita que as isolinhas de TBU sejam paralelas às isolinhas de entalpia específica. Isso é aproximadamente correto para valores abaixo de TBU, como se pode observar nas Figuras 8 e 10 da Equação 22, verifica-se que a diferença entre os ângulos, ou, mais precisamente, entre as cotangentes dos ângulos é simplesmente a Equação 25:

Equação 25

Daí se nota que, rigorosamente, a única linha de TBU que é paralela às linhas de entalpia específica é a de hL

*= 0 kJ/kg, que ocorre para TBU = 0 °C. Para valores mais elevados da temperatura de bulbo úmido, a inclinação relativa aumenta. Embora o desvio de inclinação das linhas seja suavemente aumentado à medida que TBU cresce, existe uma transição brusca de inclinação em torno de 0 °C (mais precisamente no ponto triplo), que corresponde à mudança de entalpia específica das fases da água de sólida para líquida.

3.6 LINHAS DE VOLUME ESPECÍFICO

As isolinhas de volume específico constantes não são exatamente retas no diagrama de Mollier. Entretanto, o raio de curvatura de uma dessas linhas é tão grande para baixas umidades que se permite a aproximação da curva por um segmento de reta, tem-se a Equação 26:

Equação 26


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Substituindo o termo de temperatura da lei dos gases perfeitos, obtém-se a Equação 27:

Equação 27

ou ainda, após manipulações, a Equação 28:

Equação 28

Agora, tomando-se a derivada da entalpia específica em relação à umidade absoluta, tem-se a Equação 29:

Equação 29

Para uma dada pressão de mistura P e uma linha de volume específico constante v, a curva será aproximadamente uma reta no diagrama h x ω se o termo entre parênteses no denominador for constante, isto é, se o produto 1,6078 ω for desprezível em relação à unidade.

Note que isso ocorre para baixos valores de umidade absoluta (até cerca de 0,015 kg vapor/ kg ar seco). A inclinação das linhas geralmente varia com o inverso do quadrado da umidade absoluta. Assumindo que a aproximação por uma reta é válida e com o valor da constante do ar seco, tem-se a Equação 30:

Equação 30

Como a expressão é a própria razão entalpia específica-volume específico q para uma linha de v constante e mesma pressão de mistura, essa relação é substituída na Equação 12, junto com o valor apropriado de β, o que resulta na Equação 31:

Equação 31

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Um valor de α = 120° será obtido para uma pressão de mistura normal e um volume específico da ordem de 1m3/kg ar seco. Note que os ângulos de inclinação das linhas de volume específico constantes variam ligeiramente, porém, para efeitos práticos, elas são tomadas como praticamente paralelas, como indicado na Figura 11:



3.7 LINHAS DE UMIDADE RELATIVA

A Equação 32, a seguir, representa o cálculo para obtenção das linhas de umidade relativa constantes:

Equação 32

Que pode ser reescrita para se obter ϕ explicitamente (Equação 33):

Equação 33

Nas faixas de baixa umidade absoluta, pode-se ainda simplificar essa expressão, já que 0,62198 >> ω, então teremos a seguinte relação (Equação 34):

Equação 34


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Suponha-se que se deseja calcular a umidade relativa sobre uma linha de TBS constante. Nessas condições, pode-se estabelecer uma relação linear entre um ponto sobre essa linha de umidade relativa desconhecida e a umidade relativa na saturação (ϕ = 100%) com as respectivas umidades absolutas. Seja o índice “s” um indicador de saturação, então, facilmente pode-se mostrar na Equação 35:

Equação 35

A Figura 12 ilustra o processo construtivo das isolinhas de umidade relativa:



Prezado acadêmico, um diagrama construído a partir do roteiro exposto nesta seção será bastante preciso e suficiente para praticamente todas as aplicações de psicrometria em baixas pressão e temperatura. Este método de obtenção descrito anteriormente assegura melhores resultados para uma faixa mais ampla de trabalho.

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LEITURA COMPLEMENTAR

SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO CÍCLICO PARA UTILIZAÇÃO EM DESTILADOR TÉRMICO

INTRODUÇÃO

A destilação é um processo físico presente no cotidiano da maioria dos laboratórios de pesquisa, ensino e em processos industriais. No processo de destilação fracionada, uma mistura é vaporizada através do aumento de sua temperatura; se os componentes desta mistura possuírem diferentes pontos de ebulição, podem ser coletados separadamente por um condensador. O condensador é envolvido por uma serpentina, na qual água circula e atua como fluido refrigerante. Ao entrar em contato com a superfície fria do condensador a substância evaporada retorna ao seu estado líquido, podendo ser coletada. Após a água ser utilizada como fluido refrigerante, em geral, é completamente descartada. Por exemplo, em um destilador que dissipe em seu sistema de aquecimento potência de 3000 W são descartados aproximadamente 20 L de água potável, para produzir em torno de 3 L de água destilada. Atualmente há uma conscientização mundial no sentido de se conservar os recursos hídricos, evitando tais desperdícios. Tentando contribuir nesta direção, desenvolvemos um sistema de refrigeração de fácil construção, baixo custo e que reutiliza de maneira cíclica o fluido refrigerante do condensador de um destilador térmico. O sistema de refrigeração cíclico construído foi testado em condições reais e apresentou excelente desempenho, o que motivou a redação desta nota técnica.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E DETALHES DE CONSTRUÇÃO

O princípio de funcionamento do sistema de refrigeração baseia-se na reutilização cíclica do fluido refrigerante (água, por exemplo). O fluido refrigerante é forçado a circular entre o condensador do destilador e o trocador de calor. O trocador de calor é responsável por remover o calor absorvido pelo fluido refrigerante e transferi-lo ao ambiente. Na Figura 1 é apresentado o desenho esquemático do princípio de funcionamento do refrigerador desenvolvido. A Figura 2 ilustra o desenho esquemático do protótipo construído.


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FIGURA 1. Desenho esquemático do princípio de funcionamento do sistema de refrigeração desenvolvido.

FIGURA 2. Desenho esquemático do protótipo construído.

Principais componentes utilizados

Bomba: no protótipo desenvolvido utilizamos uma eletrobomba de drenagem (conhecida comumente como bomba de tanquinho de lavar roupas) modelo-31EBD250041, fabricada pela Eberle Motores Elétricos. Ela tem por finalidade manter o fluxo do fluido refrigerante entre o condensador e o trocador de calor.

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Trocador de calor: utilizamos um radiador automotivo, especificado para carros de até mil cilindradas. A finalidade dele é remover o calor do fluido refrigerante e transferi-lo para o ambiente.

Ventoinha: utilizamos uma ventoinha modelo RAX – 2, fabricada pela Venti Silva. Sua finalidade é aumentar o rendimento do trocador de calor, através do processo de ventilação forçada. No sistema desenvolvido, o conjunto trocador de calor mais sistema de refrigeração forçada é capaz de manter em perfeito funcionamento um destilador que dissipe potência elétrica de até 5000 W.

Reservatório: o reservatório do fluido refrigerante foi construído com cano PVC de 4 polegadas e permite a fácil adição do fluido refrigerante, caso seja necessário. Ressaltamos que, na construção do protótipo, não é necessário seguir à risca a listagem dos componentes aqui mencionados. Caso o leitor opte, poderá utilizar materiais como canos de cobre ou aço inox, ou combinar a utilização de duas ou mais ventoinhas menores, por exemplo. No entanto, tais adaptações devem respeitar a potência térmica máxima a ser dissipada pelo condensador. Caso tal limite não seja respeitado, existe risco de danificar o destilador ou deste não operar na sua faixa de rendimento ótimo. Na Figura 3 mostramos a fotografia do protótipo construído.

FIGURA 3. Fotografia do protótipo construído

Análise da eficiência do sistema de refrigeração

Com o objetivo de testar o sistema desenvolvido, utilizamos um destilador comercial que dissipa potência elétrica de 3000 W em seu sistema de aquecimento. Inicialmente levantamos sua característica de produção, que coincidiu com a especificada pelo fabricante, isto é, o destilador apresentou produção média de 53 mL de água destilada por minuto, consumindo na refrigeração de seu condensador cerca de 32,1 L em 1 h de operação. Nesta situação, a água descartada do sistema de refrigeração do condensador estava aproximadamente à 73 °C. A seguir,


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conectamos ao condensador do destilador comercial o sistema de refrigeração desenvolvido. Neste caso, obtivemos produção média de 42 mL de água destilada por minuto. Nesta situação, a temperatura do fluido refrigerante, agora mantido em um circuito fechado, estabilizou-se em 52 °C (após 25 min). Num segundo momento, reduzimos a ventilação forçada sobre o radiador automotivo. Nesta situação, a produção média foi de 59 mL de água destilada por minuto e após 10 min a temperatura do fluido refrigerante estabilizou-se em aproximadamente 75 °C. Na Figura 4 mostramos o gráfico da produção integrada de água destilada nas três situações analisadas.

FIGURA 4. Produção integrada de água destilada.

Na Figura 5 mostramos a evolução temporal da temperatura do fluido refrigerante nos casos acima citados. Com a redução do fluxo da ventilação forçada sobre o trocador de calor, obtivemos produção média de água destilada similar à especificada pelo fabricante do destilador. Tal redução de ventilação foi necessária, pois no primeiro momento o fluido refrigerante estava removendo calor não só do condensador, mas de todo o corpo do destilador. O fluxo de ventilação forçada foi ajustado de modo a se obter uma produção similar à especificada pelo fabricante do destilador, podendo tal fluxo de ventilação ser controlado eletricamente (através do controle da tensão aplicada à ventoinha), mecanicamente (obstruindo-se o fluxo), ou através da utilização de uma ventoinha de menor potência. Na situação descrita nesta nota obstruímos o fluxo mecanicamente.

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FIGURA 5. Evolução temporal da temperatura do fluido refrigerante.

CONCLUSÃO

A montagem do sistema de refrigeração cíclico requer somente peças de baixo custo e de fácil obtenção. A sua montagem é simples, não necessitando de mão-de-obra especializada. As expectativas quanto à eliminação do descarte de água, tanto quanto à durabilidade do sistema e à produção de água destilada, foram plenamente atendidas.

FONTE: ASSIRATI, L.; PEREIRA, C.A.; NUNES, L.A.O. Sistema de refrigeração cíclico para utilização em destilador térmico. Quim. Nova, v. 34, n. 2, p. 344-345, 2011.

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RESUMO DO TÓPICO 3


• O estudo da psicrometria é a parte da termodinâmica que tem por objetivo o estudo das propriedades do ar úmido.

• Os engenheiros desenvolveram máquinas e processos que manipulam o ar úmido com a finalidade de obter resultados de interesse para diversas aplicações de conforto ambiental e também de processos industriais.

• Diversos são os usos dos conceitos de psicrometria nas indústrias de papel, alimentícia e têxtil, bem como no armazenamento e no beneficiamento de produtos agrícolas, na meteorologia, em sistemas de climatização, entre outros.

• O diagrama psicrométrico também chamado comumente de carta psicrométrica, é um gráfico que permite obter o traçado de diversos processos, bem como determinar os estados e as propriedades do ar úmido.

• A construção do diagrama psicrométrico está baseada no fato de que o estado termodinâmico de uma mistura de dois gases, como o ar, é determinado por três propriedades independentes.

• Todos os diagramas psicrométricos são construídos para uma dada pressão de mistura. Em princípio, tendo sido estabelecida a pressão da mistura, quaisquer outras duas propriedades poderiam ser utilizadas na construção dos eixos.

• A carta psicrométrica é um diagrama em que são representadas propriedades termodinâmicas, como:

o Temperatura de bulbo seco (TBS-BS) em °C ou Fo Temperatura de bulbo úmido (TBU-BU) em °C ou Fo Umidade relativa do ar (UR) - %o Umidade absoluta do ar (w)

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CHAMADA

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1 No projeto de condicionamento de ar é importante que o profissional tenha noções de psicrometria, uma área especializada da termodinâmica. Em relação à psicrometria, assinale a alternativa INCORRETA:

a) ( ) Psicrometria é a parte da termodinâmica que tem por objetivo o estudo das propriedades do ar úmido.

b) ( ) A psicrometria pode ser utilizada em indústrias de papel, alimentícia e têxtil, bem como no armazenamento e no beneficiamento de produtos agrícolas.

c) ( ) A carta psicrométrica é um gráfico construído baseado no fato de que o estado termodinâmico de uma mistura de dois gases é determinado por três propriedades dependentes.

d) ( ) A pressão da mistura é a propriedade que geralmente é mantida constante, já que na maioria dos processos psicrométricos ela é invariável ou varia muito pouco.

e) ( ) Todos os diagramas psicrométricos são construídos para uma dada pressão de mistura.

2 Com relação à psicrometria, considere as afirmativas a seguir:

I- Em uma carta psicrométrica, as isolinhas de entalpia específica são paralelas entre si e inclinadas em um certo ângulo em relação à horizontal.

II- As isolinhas de umidade absoluta são horizontais e formam um eixo vertical no diagrama.

III- Linhas de temperatura de bulbo seco constantes são inclinadas em relação à horizontal e aproximadamente retas.

IV- Linhas de temperatura de bulbo úmido constantes são retas e quase paralelas às isolinhas de entalpia específicas.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I e III.b) ( ) Apenas I, III e IV.c) ( ) Apenas I e IV.d) ( ) Apenas III e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

3 Esboce as principais linhas de um diagrama psicrométrico para a cidade de São Paulo, usando os dados fornecidos a seguir (P=92,6 kPa):

Umidade absoluta entre 0 e 0,04 kg vapor/kg ar seco.

Faixa de variação da entalpia específica sobre o eixo das abscissas entre 0 e 50,34 kJ/kg ar seco. Note que os limites dessa faixa de entalpia correspondem às temperaturas do ar seco a 0°C e 50°C, na ordem.

Dimensão geométrica: altura (Lω)=12 cm, comprimento (Lh)=16 cm.

AUTOATIVIDADE

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REFERÊNCIAS

ARAÚJO, E. Apostila de ar condicionado e exaustão. UniCEUB, 2011. Disponível em: https://repositorio.uniceub.br/jspui/handle/235/7455. Acesso em: 18 fev. 2021.

DICIONÁRIO MICHAELIS. Termodinâmica. 2020. Disponível em: https://michaelis.uol.com.br/moderno-portugues/busca/portugues-brasileiro/termodinamica. Acesso em: 18 fev. 2021.

MOREIRA; J. R. S.; HERNANDEZ NETO; A. Fundamentos e aplicações da psicrometria. 2 ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda, 2019.

PENA, S.M. Sistemas de ar condicionado e refrigeração. Rio de Janeiro: PROCEL, 2002.

PIZZO, S. M. Fundamentos da termodinâmica. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015.

STOECKER, W. F.; JABARDO, J.M.S. Refrigeração Industrial. 2 ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda, 2002.

YOUNG, H.D.; FREEDMAN, R.A. Física II: Termodinâmica e Ondas. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2008.

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UNIDADE 2 —

CARACTERÍSTICAS DA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL E COMERCIAL


PLANO DE ESTUDOS


• apontar características da refrigeração industrial;

• entender o funcionamento de um ciclo de refrigeração;

• compreender as funções dos sistemas de condicionamento de ar e de refrigeração;

• conhecer sobre os fluidos refrigerantes e suas propriedades.


TÓPICO 1 – COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE PRESSÃO NA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

TÓPICO 2 – SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR, REFRIGERAÇÃO E SEUS EQUIPAMENTOS

TÓPICO 3 – FLUIDOS REFRIGERANTES


CHAMADA

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UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Prezado acadêmico, grande parte das instalações na área da refrigeração industrial opera entre temperaturas de evaporação e condensação que variam entre 50 e 80 °C (STOECKER; JABARDO, 2002). Por haver grande diferença na temperatura, ele pode apresentar uma série de problemas operacionais que necessitam da busca de soluções não triviais.

Uma dessas soluções é a compressão em estágios múltiplos de pressão, que ameniza alguns dos problemas causados pela elevada diferença de temperatura e também reduz a potência de compressão.

A compressão em dois estágios será objeto de análise neste tópico. A análise desta compressão propiciará a oportunidade de abordar dois aspectos importantes: a remoção do gás de flash e o resfriamento intermediário.

TÓPICO 1 —

COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE

PRESSÃO NA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

2 REMOÇÃO DO GÁS DE FLASH

O termo flash refere-se ao processo de formação de vapor por redução da pressão. O líquido proveniente do condensador é expandido até uma pressão intermediária. O vapor que é gerado nesse processo é comprimido até a pressão de condensação e o líquido é dirigido para um dispositivo de expansão, onde a pressão será reduzida até aquela de evaporação. A Figura 1 representa o processo no dispositivo de expansão.

UNIDADE 2 — CARACTERÍSTICAS DA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL E COMERCIAL

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FIGURA 1 – O PROCESSO NO DISPOSITIVO DE EXPANSÃO EM QUE 3-2 É SUBSTITUÍDO PELA COMBINAÇÃO DE 4-5 E 6-7


A etapa 1-2 no processo que ocorre no dispositivo de expansão, mostrado na Figura 1, sugere algumas dúvidas quanto à sua eficiência. Inicialmente, o refrigerante encontra-se no estado de líquido saturado, em uma pressão de condensação (estado 1). A etapa do processo finaliza no estado 2, envolvendo a presença de líquido e vapor simultaneamente, com a mesma entalpia do estado 1, mas a uma pressão de evaporação (STOECKER; JABARDO, 2002).

Para fins de estudo, se o processo de expansão fosse interrompido a uma pressão intermediária (estado 3), referindo-se ao de uma mistura em equilíbrio de vapor saturado (estado 6) e líquido saturado (estado 4), o processo 3-2 poderia ser considerado uma combinação dos processos 4-5 e 6-7, que concluiria a expansão do refrigerante até a pressão de evaporação.

O vapor no estado 7 não pode produzir qualquer efeito de refrigeração, então a sua produção pode ser considerada inócua. Além disso, exige-se trabalho para comprimi-lo até a pressão de condensação. Nestas circunstâncias, elimina-se este vapor, o que resulta em uma redução do trabalho de compressão. Esta eliminação só é possível por meio da separação do vapor no estado 6 do refrigerante e compressão do vapor até a pressão de condensação (eliminando o estrangulamento – processo 6-7).

A Figura 2 ilustra o sistema obtido na prática responsável pela remoção do vapor à pressão intermediária, segundo o qual, o líquido saturado à pressão de condensação (estado 1), proveniente do condensador, é estrangulado pela válvula de expansão até a pressão intermediária (estado 3) sendo então recolhido no denominado tanque de flash (STOECKER; JABARDO, 2002).

TÓPICO 1 — COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS DE PRESSÃO NA REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

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FIGURA 2 – REMOÇÃO E COMPRESSÃO DO GÁS DE FLASH


O nível de líquido no tanque controla a válvula de expansão. No tanque de flash, o líquido é separado do vapor e então enviado ao dispositivo de expansão, onde a pressão é reduzida até a pressão de evaporação. Um compressor auxiliar comprime o vapor formado no tanque até a pressão de condensação (STOECKER; JABARDO, 2002).

Vamos realizar um exemplo juntos para aprofundarmos nosso conhecimento.

Exemplo 1

Em uma instalação frigorífica de R-22, onde as temperaturas de evaporação e condensação operam igualmente de -30 °C a 35 °C, a capacidade frigorífica da instalação é de 150 kW. Considerando que os processos de compressão sejam isentrópicos e que o refrigerante líquido que deixa o condensador e o vapor que deixa o evaporador estejam saturados, determine:

a) a potência de compressão;b) vazão volumétrica na aspiração do compressor.

Considerando um ciclo com remoção de gás de flash à pressão absoluta de 498 kPa, correspondendo a uma temperatura de saturação de 0 °C, determine:

a) a potência total de compressão;b) a vazão volumétrica na aspiração do compressor principal.

Resolução:

Os estados correspondentes ao ciclo padrão de compressão a vapor são ilustrados no diagrama de pressão e entalpia da Figura 3.


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FIGURA 3 – DIAGRAMA DE ENTALPIA E PRESSÃO DO CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO A VAPOR ASSOCIADO AO EXERCÍCIO-EXEMPLO


O ciclo com remoção de gás de flash e o seu diagrama p-h são mostrados na Figura 4 (a) e (b).

FIGURA 4 – A) A INSTALAÇÃO COM REMOÇÃO DE GÁS DE FLASH; B) O DIAGRAMA P-H.



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Os valores das entalpias correspondentes aos estados indicados nos dois ciclos podem ser diretamente obtidos a partir de uma tabela de propriedades termodinâmicas do refrigerante em específico:

ha = 393,1 kJ/kghb = 448,0 kJ/kghc = 243,1 kJ/kghd = 243,1 kJ/kg

h1 = 393,1 kJ/kgh2 = 448,0 kJ/kgh3 = 243,1 kJ/kgh4 = 200,0 kJ/kgh5 = 200,0 kJ/kgh6 = 405,4 kJ/kgh7 =430 kJ/kg

a) A vazão de refrigerante é dada pela Equação 1: Equação 1

A potência de compressão pode ser calculada pela Equação 2:

Equação 2

Então, a potência de compressão será igual a: 54,9 kW.

b) A vazão volumétrica do refrigerante referida ao estado de aspiração do compressor (Equação 3) é igual ao produto da vazão pelo volume específico do vapor naquele estado, estado “a”. Como o volume específico do vapor em “a” é igual a 135,8 L/kg, a vazão volumétrica será igual a:

Equação 3


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A vazão volumétrica do refrigerante é 135,8 L/s.

c) Para o ciclo com remoção de gás de flash, a vazão de refrigerante que circula pelo evaporador e compressor principal (Equação 4), m4 = m5 = m1 = m2, é igual a:

Equação 4

A vazão de refrigerante que circula pelo compressor auxiliar, m6, pode ser obtida como resultado dos balanços de massa e energia no tanque de flash:

Balanço de massa: m3 = m4 + m6 = 0,777 kg/s + m6 Balanço de energia: m3.h3 = (0,777 kg/s).h4 + m6.h6 Combinando as equações acima, resulta:

Cuja solução é: m6 = 0,206 kg/s.

A potência de compressão no processo de compressão principal então será igual à Equação 5:

Equação 5

A potência de compressão no processo de compressão do gás de flash é igual à Equação 6:

Equação 6


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Logo, a potência total de compressão será igual a:

d) A vazão volumétrica de refrigerante na aspiração do compressor principal poderá ser calculada como na parte b, resultando igual à Equação 7:

Equação 7

Caro acadêmico, o que você pode observar através das respostas?

1° Observa-se que o estado 1 do ciclo com remoção de gás de flash é igual ao estado “a” do ciclo padrão de compressão a vapor, resultando daí o fato de ter se utilizado o mesmo volume específico para os dois estados (STOECKER; JABARDO, 2002).

2° Vantagens do ciclo com remoção de gás de flash:o Redução na potência de compressão para uma mesma capacidade frigorífica.

Essa redução na potência de compressão se torna maior à medida que se incrementa a diferença entre as temperaturas limite do ciclo (STOECKER; JABARDO, 2002).

o Redução da capacidade do compressor principal. Em virtude dessa redução associada a uma vazão menor do refrigerante, a linha de líquido para o evaporador e a linha de aspiração do compressor podem assumir dimensões mais reduzidas. Além disso, como a vazão de refrigerante que circula pelo evaporador é menor, verifica-se uma diminuição na perda de carga naquele trocador de calor, à qual estão associadas algumas vantagens operacionais (STOECKER; JABARDO, 2002).

3° Desvantagens do ciclo com remoção de gás de flash:o Elevação do custo inicial em relação ao custo do ciclo padrão. Esta elevação

está associada ao tanque de flash, à válvula de boia e ao compressor auxiliar, embora este seja de pequeno porte (STOECKER; JABARDO, 2002).

Em resumo, pode-se afirmar que a remoção do gás de flash encontra justificativas econômicas para a maioria das instalações que operam a baixas temperaturas de evaporação (STOECKER; JABARDO, 2002).


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3 RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO EM COMPRESSÃO DE DUPLO ESTÁGIO

O processo de resfriamento do refrigerante a uma pressão intermediária é normalmente utilizado em instalações de duplo estágio de compressão, com o objetivo de reduzir o superaquecimento que o processo em si deixa o estágio de baixa pressão (STOECKER; JABARDO, 2002).

A Figura 5 representa um diagrama pressão-volume específico, em que o trabalho por unidade de massa do refrigerante circulado é dado pela área sob a curva representativa do processo de compressão para processos isentrópicos (STOECKER; JABARDO, 2002).

FIGURA 5 – O RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO NO DIAGRAMA p-v


Na Figura 6, pode-se perceber que se não efetuada uma compressão isentrópica desde o estado 1 até o estado 5, mas uma compressão realizada em duas etapas: 1-2 e 3-4, com resfriamento intermediário, 2-3, a redução no trabalho de compressão seria obtida. (STOECKER; JABARDO, 2002).


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FIGURA 6 – O RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO NO DIAGRAMA p-h


Essa redução é dada pela área 2-3-4-5. No diagrama p-h, a compressão com resfriamento intermediário aparece ilustrado na Figura 6. O trabalho de compressão (por unidade de massa do refrigerante circulado) é designado por Δh (STOECKER; JABARDO, 2002).

Como as linhas isentrópicas apresentam uma inclinação menor em estados mais afastados da região de saturação – Δhb > Δha –, a redução do trabalho de compressão então é dada pela diferença: Δhb – Δha.

O resfriamento intermediário ocorre a uma temperatura elevada na compressão de ar e, consequentemente, facilita o resfriamento pelo ar ambiente. Em sistemas frigoríficos, no entanto, o resfriamento intermediário ocorre a temperaturas relativamente baixas do refrigerante, levando a custos adicionais no processo (STOECKER; JABARDO, 2002).

Considerando que um compressor do estágio de baixa pressão de um ciclo frigorífico de amônia opera entre a pressão de evaporação correspondente a uma temperatura de saturação de -30 °C, e a pressão intermediária de 430 kPa associada a uma temperatura de saturação de 0 °C, se a compressão fosse isentrópica, a temperatura de descarga da amônia seria de 54 °C.

Nessas circunstâncias, um trocador de calor que utilizasse água ou ar ambiente não seria apropriado para resfriar o refrigerante até 0 °C (de modo a se esperar no resfriamento intermediário) (STOECKER; JABARDO, 2002).

Deste modo, uma parte do resfriamento deveria ser realizado a partir do processo de refrigeração. A Figura 7 ilustra uma solução normalmente adotada para este caso em que o vapor de descarga do compressor do estágio de baixa pressão é borbulhado no líquido saturado à pressão intermediária.


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FIGURA 7 – UM RESFRIADOR INTERMEDIÁRIO


O borbulhamento que ocorre é determinado por uma área de contato elevada entre o líquido e o vapor, possibilitando o resfriamento eficiente do vapor até a temperatura do líquido.

4 COMPRESSÃO COM DUPLO ESTÁGIO E UMA ÚNICA TEMPERATURA DE EVAPORAÇÃO

Nos sistemas de duplo estágio, o resfriador intermediário e o separador do gás de flash são integrados em apenas um vaso. Esses sistemas são utilizados para que um ou mais evaporadores consigam operar a uma única temperatura de evaporação.

A Figura 8 mostra um diagrama esquemático desse ciclo (STOECKER; JABARDO, 2002):


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FIGURA 8 – SISTEMA DE ESTÁGIO DUPLO DE COMPRESSÃO INCORPORANDO O TANQUE DE FLASH E O RESFRIADOR INTERMEDIÁRIO EM UM MESMO VASO


O refrigerante no estado líquido resultante do condensador passa pela válvula controladora de nível e é recolhido no tanque (resfriador intermediário e de tanque de flash). O refrigerante líquido separado do vapor é encaminhado ao evaporador por meio do dispositivo de expansão. No compressor do estágio de alta pressão, o vapor produzido no tanque de flash é comprimido até a pressão de condensação (STOECKER; JABARDO, 2002).

5 A PRESSÃO INTERMEDIÁRIA ÓTIMA

A pressão intermediária ótima é o valor da pressão intermediária em um sistema de duplo estágio de compressão com uma única temperatura de evaporação que exigira uma potência de compressão combinada mínima.

Em uma compressão de ar em estágio duplo, a pressão intermediária ótima equivale à média geométrica entre a pressão de aspiração e a de descarga, como mostrado na Equação 8:

Equação 8

A Equação 1 não se aplica ao caso de um sistema frigorífico, já que neste caso o resfriamento intermediário envolve o efeito da refrigeração adicional sem a utilização de um meio externo de resfriamento, o que não ocorre no caso da compressão de ar (STOECKER; JABARDO, 2002).


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A pressão intermediária ótima em sistemas frigoríficos para um sistema de amônia de estágio duplo com remoção de gás de flash e resfriador intermediário é ilustrado na Figura 9. A temperatura de evaporação é de -30 °C e a de condensação de 30 °C para uma carga de refrigeração de 100 kW (STOECKER; JABARDO, 2002).

FIGURA 9 – EFEITO DA PRESSÃO INTERMEDIÁRIA SOBRE A POTÊNCIA COMBINADA DE COM-PRESSÃO PARA UM SISTEMA DE AMÔNIA COM DUPLO ESTÁGIO, REMOÇÃO DE GÁS DE FLASH

E RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO



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Em sistemas frigoríficos, a pressão intermediária apresenta valores levemente superiores aos valores da média geométrica entre as pressões de evaporação e condensação, designadas respectivamente como pressões de aspiração e de descarga.

A diferença de potência combinada de compressão para as duas condições, no entanto, é muito pequena para justificar qualquer procedimento mais elaborado para a determinação da pressão intermediária: 28,19 kW para a pressão intermediária calculada pela média geométrica; e 28,15 kW para o ponto de ótimo. Para os dois casos, a redução na potência de compressão em relação ao ciclo de estágio simples de compressão é da ordem de 9%, uma vez que neste, a potência é de 31,6 kW (STOECKER; JABARDO, 2002).

6 COMPRESSÃO COM DUPLO ESTÁGIO E DOIS NÍVEIS DE TEMPERATURA DE EVAPORAÇÃO

Algumas aplicações exigem que temperaturas de evaporação específicas sejam utilizadas em instalações frigoríficas, como é o caso de um entreposto de alimentos, em que câmaras de armazenamento congelados (temperaturas ambientes de -20 °C) devem operar em conjunto com câmaras de produtos não congelados (temperaturas ambientes na ordem de 2 °C) (STOECKER; JABARDO, 2002).

Outro caso seria de uma indústria química, em que um processo pode exigir uma redução da temperatura de um fluido de -10 °C até -15 °C, e outro processo, ao mesmo tempo, demandar o resfriamento de um fluido de uma temperatura de 15°C até 5°C (STOECKER; JABARDO, 2002).

Um ciclo de refrigeração de compressão com estágio simples, como mostrado na Figura 10, pode atender às necessidades frigoríficas dos exemplos acima, para o caso da conservação de alimentos.

FIGURA 10 – CIRCUITO FRIGORÍFICO DE ESTÁGIO SIMPLES DE COMPRESSÃO COM DOIS NÍVEIS DE TEMPERATURA DE REFRIGERAÇÃO



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a) Mesma temperatura de evaporação; b) Utilizando uma válvula reguladora de pressão na saída do evaporador no ambiente de temperatura mais elevada.

Na Figura 10 (a), os evaporadores operam na mesma temperatura de evaporação, sendo um valor suficientemente reduzido que permite a refrigeração do ambiente mais frio (uma temperatura de -25 °C, por exemplo) (STOECKER; JABARDO, 2002).

Uma temperatura de evaporação reduzida no evaporador da câmara de verduras proporcionaria uma taxa de remoção de umidade do ar tão significativa a ponto de o produto ser queimado por secagem, além de que a umidade removida do ambiente se depositaria nas superfícies frias do evaporador na forma de neve e rapidamente obstruiria a passagem de ar (STOECKER; JABARDO, 2002).

Na indústria química, por exemplo, a temperatura reduzida do refrigerante, no nível intermediário de pressão, poderia promover o congelamento do produto refrigerado.

Conforme ilustrado na Figura 10 (b), na saída do evaporador é instalada uma válvula reguladora de pressão. Se a temperatura de evaporação fosse mantida a -3 °C, a temperatura do meio poderia assumir um valor de 2 °C, por exemplo, para a qual a umidade ambiente poderia ser mantida em níveis compatíveis com a preservação da qualidade das verduras (STOECKER; JABARDO, 2002).

Este método, no entanto, impõe um estrangulamento na válvula reguladora de pressão do vapor proveniente do evaporador de alta temperatura, até a pressão do evaporador de baixa temperatura. Todo o vapor que é produzido é comprimido desde a pressão correspondente até a temperatura de saturação do evaporador de baixa temperatura, não havendo qualquer vantagem, em termos de potência de compressão, em relação ao sistema da Figura 10 (a) (STOECKER; JABARDO, 2002).

A Figura 11 demonstra um procedimento bastante utilizado na efetiva solução do problema de operação a dois níveis de temperatura de evaporação.


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FIGURA 11 – SISTEMA DE COMPRESSÃO COM DUPLO ESTÁGIO E DOIS NÍVEIS DE TEMPERATU-RA DE REFRIGERAÇÃO


No circuito mostrado na Figura 11, o vapor que deixa o evaporador de alta temperatura é enviado ao tanque de flash/resfriador intermediário, de onde é aspirado pelo compressor do estágio de alta pressão. Neste caso, a pressão intermediária não pode ser livremente fixada, uma vez que o seu valor está associado à aplicação de alta temperatura, resultando de um compromisso entre as capacidades dos compressores dos estágios de alta e de baixa pressão (STOECKER; JABARDO, 2002).

7 ESTÁGIO ÚNICO OU ESTÁGIO DUPLO DE COMPRESSÃO?

Caro acadêmico, algumas vantagens do sistema de duplo estágio de compressão resultantes da remoção do gás de flash e do resfriamento intermediário foram discutidas. O consumo energético é um aspecto importante na decisão entre estágio único ou duplo de compressão.

A Figura 12 mostra curvas de percentual para a compressão ideal de R-22 e de amônia, com relação à redução na potência de compressão resultante da utilização de um sistema de duplo estágio (STOECKER; JABARDO, 2002).


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FIGURA 12 – REDUÇÃO PERCENTUAL NA POTÊNCIA DE COMPRESSÃO DE SISTEMAS DE DU-PLO ESTÁGIO EM RELAÇÃO A SISTEMAS DE UM ÚNICO ESTÁGIO DE COMPRESSÃO IDEAL. A

TEMPERATURA DE CONDENSAÇÃO ADMITIDA É DE 35°C


Através da Figura 12, observa-se uma redução significativa quando as temperaturas de evaporação são suficientemente baixas. A compressão com estágio duplo é interessante quando a temperatura de evaporação é inferior a -20 °C, considerando as limitações do equipamento e a conservação de energia (STOECKER; JABARDO, 2002).

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• Grande parte das instalações na área da refrigeração industrial opera entre temperaturas de evaporação e condensação cuja diferença varia entre 50 e 80 °C. Por haver uma grande diferença na temperatura, ele pode apresentar uma série de problemas operacionais.

• A compressão em estágios múltiplos de pressão ameniza alguns dos problemas causados pela elevada diferença de temperatura e também reduz a potência de compressão.

• O termo flash refere-se ao processo de formação de vapor por redução da pressão.

• O termo flash se dá devido à falta de um termo adequado em português e sua popularidade em inglês fizeram com que seja de uso corrente na prática, razão pela qual não foi realizada uma tradução.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 As afirmativas abaixo se referem aos conceitos da compressão com duplo estágio e uma única temperatura de evaporação:

I- Nos sistemas de duplo estágio, o resfriador intermediário e o separador do gás de flash são integrados em apenas um vaso.

II- Os sistemas de duplo estágio são utilizados para que um ou mais evaporadores consigam operar a uma única temperatura de evaporação.

III- O refrigerante no estado gasoso resultante do condensador passa pela válvula controladora de nível e é recolhido no tanque.

IV- O refrigerante recolhido no tanque é encaminhado ao evaporador por meio do dispositivo de compressão.

V- No compressor do estágio de alta pressão, o vapor produzido no tanque de flash é comprimido até a pressão de condensação.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I, II e III.b) ( ) Apenas I, II e V.c) ( ) Apenas I e II.d) ( ) Apenas III e V.e) ( ) Todas estão corretas.

2 Com relação à remoção do gás de flash, assinale a alternativa INCORRETA:

a) ( ) Flash refere-se ao processo de formação de vapor por redução da pressão.b) ( ) Na remoção do gás de flash, o líquido proveniente do condensador é

expandido até uma pressão intermediária. O vapor que é gerado nesse processo é comprimido até a pressão de condensação e o líquido é dirigido para um dispositivo de expansão, onde sua pressão é reduzida até aquela de evaporação.

c) ( ) Um ciclo com a remoção de gás de flash apresenta aumento na potência de compressão para uma mesma capacidade frigorífica.

d) ( ) Uma vantagem do ciclo com a remoção de gás de flash é a redução na capacidade do compressor principal.

e) ( ) A remoção de gás de flash em um ciclo leva a um custo inicial mais alto em relação ao custo do ciclo padrão.

3 Com relação ao resfriamento intermediário em compressão de duplo estágio, considere as afirmativas a seguir:

I- O processo de resfriamento do refrigerante a uma pressão intermediária é normalmente utilizado em instalações de duplo estágio de compressão com o objetivo de reduzir o superaquecimento que o processo em si deixa o estágio de baixa pressão.

AUTOATIVIDADE

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II- Em um gráfico de pressão-volume específico, a área sob a curva representa o processo de expansão para processos isentrópicos.

III- O resfriamento intermediário ocorre a uma temperatura elevada na compressão de ar e, consequentemente, facilita o resfriamento pelo ar ambiente.

IV- A pressão intermediária ótima pode ser calculada a partir da média geométrica entre a pressão de aspiração e a pressão de descarga.

V- Nos sistemas de duplo estágio de compressão, existem um problema da migração de óleo de um compressor para outro.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I e III.b) ( ) Apenas II, IV e V.c) ( ) Apenas I e II e IV.d) ( ) Apenas I, III e IV e V.e) ( ) Todas estão corretas.

4 O termo flash refere-se ao processo de formação de vapor por redução da pressão. Quais são as vantagens do ciclo com a remoção de gás de flash?

5 Em nível de projeto, quais os aspectos importantes para selecionar entre sistemas de estágio único ou estágio duplo de compressão?

72

73

UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

O funcionamento de um ciclo de refrigeração é composto por equipamentos como compressor, condensador e evaporador, e componentes; dentro desse ciclo eles têm uma função específica.

De modo geral, os compressores são responsáveis por criar o fluxo do fluido refrigerante pelos componentes do sistema de refrigeração. Condensadores e evaporadores são componentes encarregados de realizar o processo de transferência de calor nos sistemas de refrigeração (MILLER; MILLER, 2014).

Prezado acadêmico, veremos neste tópico características e conceitos fundamentais dos principais equipamentos dos sistemas de refrigeração. Estudaremos inicialmente os compressores alternativos e os compressores parafuso, seguindo para o estudo de condensadores. Além disso, veremos sobre os evaporadores e seu comportamento. Por fim, será abordado sobre serpentinas e resfriadores.

TÓPICO 2 —

SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR,

REFRIGERAÇÃO E SEUS EQUIPAMENTOS

2 COMPRESSORES

O mercado atual fornece diferentes versões de compressores para o uso em refrigeração industrial, cada um com suas vantagens e desvantagens, como os compressores: alternativos, rotativos parafuso e de palhetas e centrífugos (STOECKER; JABARDO, 2002).

Caro acadêmico, veremos agora os principais tipos e as principais diferenças entre os compressores que são utilizados na refrigeração industrial em instalações de capacidade de até 1000 kW (compressores alternativos e compressores parafuso).

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2.1 COMPRESSORES ALTERNATIVOS

Compressores alternativos podem ser construídos de diversas maneiras, ressaltando os tipos aberto, hermético (selado) ou semi-hermético (STOECKER; JABARDO, 2002).

A seguir iremos ver algumas características de cada tipo de compressor alternativo:

Os compressores abertos (Figura 13) possuem um eixo de acionamento que atravessa a carcaça, que é acionado por um motor externo, não acoplado ao equipamento. (STOECKER; JABARDO, 2002). Os sistemas de acionamento aberto normalmente utilizam correias em “V” ou acoplamento flexível, para transmitir a energia do motor ao compressor (MILLER; MILLER, 2014).

São compressores adequados para instalações de amônia como fluido refrigerante e podem operar com refrigerantes halogenados (STOECKER; JABARDO, 2002). Este tipo de compressor tende a maiores riscos de ocorrência de vazamentos, devido às falhas na vedação, exigindo, assim, uma manutenção frequente (MILLER; MILLER, 2014).

FIGURA 13 – COMPRESSOR DO TIPO ABERTO

FONTE: <http://www.enterpecas.com.br/compressor-aberto.php>. Acesso em: 8 dez. 2020.

Refrigeradores domésticos e condicionadores de ar com potências de até 30 kW utilizam compressores herméticos (Figura 14). Este tipo de compressor apresenta em sua carcaça apenas os acessos de entrada e saída do refrigerante e para as conexões do motor, visto que o motor é acoplado ao equipamento (STOECKER; JABARDO, 2002).

Com sistemas herméticos, existe menor probabilidade de vazamento, comparado aos sistemas abertos, por não possuírem vedações. No entanto, são mais difíceis de consertar (MILLER; MILLER, 2014).

TÓPICO 2 — SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR, REFRIGERAÇÃO E SEUS EQUIPAMENTOS

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FIGURA 14 – COMPRESSOR HERMÉTICO

FONTE: <http://www.enterpecas.com.br/compressores-hermeticos.php>. Acesso em: 8 dez. 2020.

Os compressores semi-herméticos (Figura 15) possuem uma carcaça externa que comporta o compressor e o motor de acionamento. Este tipo de compressor permite a remoção do cabeçote, tornando possível o acesso às válvulas e aos pistões. Com relação ao funcionamento, neste caso, o vapor do refrigerante entra em contato com o enrolamento do motor e o resfria. Para os compressores semi-herméticos, só é possível utilização de refrigerantes halogenados (STOECKER; JABARDO, 2002).

FIGURA 15 – COMPRESSOR SEMI-HERMÉTICO

FONTE: <http://www.enterpecas.com.br/compressor-semi-hermetico.php>. Acesso em: 8 dez. 2020.

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2.1.1 Rendimento volumétrico de espaço nocivo

Para interpretar o desempenho dos compressores alternativos, utiliza-se o parâmetro de rendimento volumétrico, ou eficiência. Existem dois tipos de eficiência, a volumétrica efetiva, ou real, e a de espaço nocivo, ou espaço morto (STOECKER; JABARDO, 2002).

A eficiência volumétrica real é aquela que associa todos os efeitos e é geralmente dada em porcentagem, definida pela Equação 9:

Equação 9

O primeiro termo da Equação 9 refere-se à vazão volumétrica que entra no compressor, e o segundo termo refere-se ao volume deslocado pelos pistões durante o curso de sucção por unidade de tempo, que é conhecido como a taxa de deslocamento do compressor.

A eficiência volumétrica de espaço nocivo pode ser explicada a partir da Figura 16 a seguir:

FIGURA 16 – DIAGRAMA PRESSÃO-VOLUME DE UM COMPRESSOR ALTERNATIVO IDEAL



77

As válvulas nos compressores alternativos são operadas geralmente por molas e quando a pressão no cilindro reduz até a linha da válvula de aspiração, esta válvula se abre, então o gás entra no cilindro. Quando a pressão dentro do cilindro atinge a linha da válvula de descarga, esta válvula se abre e permite a saída do gás comprimido do cilindro. O espaço nocivo também é uma característica importante, seu volume é representado por Ven – que associa o volume residual entre a superfície interior do cabeçote e a do pistão. O gás que fica retido no espaço morto deve ser expandido até a pressão de aspiração. Este volume do espaço nocivo pode ser expresso em porcentagem, definido conforme Equação 10 (STOECKER; JABARDO, 2002):

Equação 10

Considerando a pressão de aspiração como pa1, o gás residual do espaço nocivo deve ser expandido até essa pressão e, nessa condição, o volume ocupado pelo gás no cilindro é V1. O volume de gás efetivamente introduzido no cilindro é igual a V3 - V1.

A eficiência volumétrica do espaço nocivo pode ser expressa pela Equação 11 a seguir (STOECKER; JABARDO, 2002):

Equação 11

Sendo vaspiração o volume específico do vapor na aspiração do compressor, e vdescarga o volume específico do vapor na descarga do compressor (STOECKER; JABARDO, 2002).

2.2 COMPRESSORES PARAFUSO

Os compressores parafuso podem ser classificados como: parafuso duplo e parafuso simples. Os compressores de parafuso duplo são largamente utilizados na indústria de refrigeração, visto que são os de maior penetração. Por isso, a partir de agora, passamos a designá-lo simplesmente como compressor parafuso.

A Figura 17 a seguir ilustra as seções transversais de dois tipos distintos de elementos rotativos. O rotor macho apresenta quatro lóbulos enquanto que o rotor fêmea apresenta seis gargantas, também chamadas de reentrâncias. Normalmente, o motor de acionamento atua sobre o rotor macho. Em alguns compressores, no entanto, o motor atua sobre o rotor fêmea e, neste caso, a rotação do rotor macho é 50% superior ao caso anterior (STOECKER; JABARDO, 2002).

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FIGURA 17 – SEÇÃO TRANSVERSAL DE COMPRESSORES PARAFUSO

FONTE: <https://berg-group.com/engineered-solutions/the-science-behind-refrigeration/>. Acesso em: 8 dez. 2020.

A Figura 18 representa o princípio de funcionamento do compressor parafuso. Inicialmente o gás entra pela parte superior do compressor e sai pela parte inferior. Na Figura 18 (a), o gás penetra os espaços vazios entre dois lóbulos adjacentes. Ao passo que os rotores giram, o gás deixa a região de entrada e começa a ser comprimido pelo encaixe entre o lóbulo e a reentrância (Figura 18 (b)). O gás atinge a região de saída e é descarregado, chegando ao fim o processo de compressão (Figura 18 (c)) (STOECKER; JABARDO, 2002).

FIGURA 18 – FUNCIONAMENTO DO PROCESSO DE COMPRESSÃO EM COMPRESSORES PARAFUSO


A Figura 19 a seguir apresenta um compressor parafuso aberto, no qual pode-se observar a válvula de deslizamento no canto direito inferior e o filtro de admissão em um plano superior central:


79

FIGURA 19 – COMPRESSOR PARAFUSO


Antigamente, os compressores possuíam rotores que engrenavam a alta rotação, de modo a evitar vazamentos de refrigerante. Os compressores modernos, por sua vez, são selados com óleo. O óleo que sai do compressor, arrastado pelo gás, necessita de separação (por meio de um separador de óleo) para que não haja acúmulo em outras partes do sistema. Por meio de troca de calor com o refrigerante aquecido durante a compressão, o óleo também se aquece e deve ser resfriado em um trocador de calor antes de ser enviado novamente ao compressor (Figura 20) (STOECKER; JABARDO, 2002):

FIGURA 20 – CIRCUITO DE ÓLEO DE UM COMPRESSOR PARAFUSO


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Com relação aos compressores parafusos simples, eles são constituídos de um elemento cilíndrico que apresenta ranhuras helicoidais. Transversalmente, duas rodas são dispostas em um eixo, contendo o parafuso, girando em sentidos opostos, também conhecidas como “satélites”. O parafuso e os satélites são envolvidos pela carcaça, conforme Figura 21 a seguir:

FIGURA 21 – COMPRESSOR PARAFUSO SIMPLES

FONTE: Stoecker e Jabardo (2002, p.109)

Em compressores parafuso simples, o parafuso central gira em uma cavidade cilíndrica no interior da carcaça, com certa folga. O acionamento das rodas ocorre pelo eixo do compressor e a compressão ocorre na parte superior e na parte inferior do compressor. A carga radial sobre os mancais é aliviada devido a essa ação combinada e a única carga atuante (além da resultante do próprio peso) é a dos eixos das rodas (resultante da pressão do gás durante o engrenamento) (STOECKER; JABARDO, 2002).

3 CONDENSADORES

Um dos componentes encarregados de realizar o processo de transferência de calor nos sistemas de refrigeração são os condensadores. Condensadores são equipamentos responsáveis pela transferência de calor entre um fluido frio e um fluido quente (STOECKER; JONES, 1985).

Os condensadores podem ser resfriados a ar, resfriados a água e evaporativo, conforme Figura 22. Na refrigeração comercial e no condicionamento de ar, a maioria dos condensadores é resfriada a ar. Na refrigeração industrial, por sua vez, predomina o condensador do tipo evaporativo. O refrigerante, no condensador resfriado à ar, condensa para o ar ambiente, rejeitando calor através da sua superfície projetada com aletas circulado por um ventilador (geralmente axial) (STOECKER; JABARDO, 2002).


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FIGURA 22 – TIPOS DE CONDENSADOR


a) Resfriado à ar.b) Resfriado à água tipo carcaça-tubo.c) Resfriado à água tipo placas.d) Evaporativo.

A condensação do refrigerante é um processo relativamente complexo e ocorre no interior de um tubo, tanto em condensadores resfriados à ar quanto em condensadores evaporativos. A Figura 23 ilustra a variação do coeficiente de transferência de calor ao longo de um tubo em que ocorre a condensação completa (STOECKER; JABARDO, 2002):

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FIGURA 23 – VARIAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR AO LONGO DE UM TUBO EM QUE OCORRE A CONDENSAÇÃO COMPLETA


Ao entrar no condensador, o refrigerante está no estado de vapor superaquecido, e com um coeficiente relativamente baixo (típico do escoamento de gases). À medida que a condensação progride na superfície interior do tubo, o coeficiente apresenta um aumento significativo. A partir de determinada seção, no entanto, percebe-se diminuição progressiva do coeficiente de transferência de calor resultante do aumento da espessura da película de condensado junto à superfície do tubo e a consequente redução da velocidade média do fluido na seção transversal de escoamento.

Condensadores resfriados a ar apresentam custo inicial menor, comparado com condensadores resfriados à água e evaporativos. Além disso, custos reduzidos de manutenção também são observados, visto que não há circulação ou evaporação de água (STOECKER; JONES, 1985).

4 EVAPORADORES

Evaporadores também são componentes encarregados de realizar o processo de transferência de calor nos sistemas de refrigeração. O processo que ocorre nos evaporadores é a ebulição (mudança de fase do líquido), causando variação da resistência de transferência de calor a partir da fração de líquido vaporizado (STOECKER; JABARDO, 2002).

Nos evaporadores utilizados em sistemas de refrigeração, o refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor dentro dos tubos, resfriando o fluido que passa pela parte externa dos tubos. Frequentemente, esses evaporadores são conhecidos como evaporadores de expansão direta. Evaporadores que resfriam o ar e os resfriadores de líquido apresentam aletas dentro dos tubos com a finalidade de aumentar a condutância no lado do refrigerante (MILLER; MILLER, 2014).


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Em aplicações de condicionamento de ar, evaporadores de expansão direta são alimentados por uma válvula de expansão, responsável por regular o fluxo de líquido. Desta forma, o vapor refrigerante sai do evaporador com algum superaquecimento (STOECKER; JABARDO, 2002).

Em evaporadores de recirculação de líquido, ou também chamados de evaporadores com sobrealimentação de líquido, o excesso de líquido à baixa pressão e temperatura é bombeado para o evaporador. Parte do líquido muda para a fase vapor no evaporador e o restante deixa o evaporador no estado líquido. Então, o líquido do evaporador é separado e o vapor flui para o compressor. Geralmente, sistemas de refrigeração industrial de baixa temperatura utilizam este tipo de evaporador (STOECKER; JABARDO, 2002).

5 SERPENTINAS

Serpentinas são utilizadas para o condicionamento de ar através de um processo de resfriamento e desumidificação, conforme Figura 24. Os tubos de serpentinas devem possuir aletas, de forma a reduzir a resistência térmica exterior e por isso apresentam uma geometria peculiar, fazendo parte dos “trocadores de calor compactos” (STOECKER; JABARDO, 2002).

FIGURA 24 – SERPENTINA DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO DE AR


Para o projeto de serpentinas, existem complexidades que a maioria dos fabricantes já conhece, como: circuitagem, disposição dos tubos, projetos das aletas, entre outros. Ainda existe dificuldade no procedimento para obtenção de uma taxa de transferência de calor máxima para um dado custo inicial (STOECKER; JABARDO, 2002).

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6 RESFRIADORES

Antigamente, os resfriadores de líquidos eram constituídos predominantemente de evaporadores do tipo carcaça-tubos. Evaporadores como da figura 25 (a) são conhecidos como “inundado”. Neste caso, o líquido escoa pelo interior dos tubos, enquanto o refrigerante muda de fase no lado da carcaça. Em evaporadores como da figura 25 (b), denominados de “expansão direta” (ou expansão seca), o refrigerante muda de fase escoando pelo interior dos tubos (STOECKER; JABARDO, 2002).

FIGURA 25 – RESFRIADORES DE LÍQUIDOS DO TIPO CARCAÇA-TUBOS, COM O REFRIGERAN-TE MUDANDO DE FASE (A) NA CARCAÇA; (B) NOS TUBOS


Atualmente, os evaporadores carcaça-tubos estão sendo progressivamente substituídos por outros tipos, especialmente os de placas, que apresentam melhor desempenho térmico. A Figura 26, a seguir, ilustra um evaporador de placas, sendo (a) o escoamento do refrigerante e do líquido entre as placas; e (b) o trocador de placas montado. Esta vantagem dos evaporadores de placa confere aos resfriadores um tamanho reduzido comparado aos de carcaça-tubos. (STOECKER; JABARDO, 2002).


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FIGURA 26 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM EVAPORADOR DE PLACAS (A) ILUSTRA-ÇÃO DO ESCOAMENTO DO REFRIGERANTE E DO LÍQUIDO SENDO RESFRIADO ENTRE AS

PLACAS; (B) O TROCADOR DE PLACAS MONTADO (TIPO BRAZADO)


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RESUMO DO TÓPICO 2


• Existem diferentes versões de compressores para o uso em refrigeração industrial, como os alternativos, rotativos parafuso e de palhetas, e centrífugos.

• Compressores alternativos podem ser do tipo aberto, hermético (selado) ou semi-hermético.

• Os compressores parafuso podem ser classificados como parafuso duplo e parafuso simples. Compressores de parafuso duplo são muito utilizados na indústria de refrigeração.

• Condensadores e evaporadores são componentes encarregados de realizar o processo de transferência de calor nos sistemas de refrigeração.

• Serpentinas são utilizadas para o condicionamento de ar através de um processo de resfriamento e desumidificação.

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1 Com relação aos compressores alternativos, que são equipamentos dos sistemas de refrigeração, assinale a alternativa INCORRETA:

a) ( ) Compressores alternativos podem ser construídos de diversas maneiras, ressaltando os tipos aberto, hermético ou semi-hermético.

b) ( ) Os compressores abertos normalmente utilizam correias em “V” ou acoplamento flexível, para transmitir a energia do motor ao compressor.

c) ( ) Os compressores abertos possuem uma carcaça externa que comporta o compressor e o motor de acionamento.

d) ( ) Os compressores herméticos apresentam em sua carcaça apenas os acessos de entrada e saída do refrigerante e para as conexões do motor.

e) ( ) Os compressores semi-herméticos permitem a remoção do cabeçote, tornando possível o acesso às válvulas e aos pistões.

2 Os compressores para o uso em refrigeração industrial podem ser dos tipos alternativos, rotativos parafuso e de palhetas, e centrífugos. Com base nos seus conhecimentos, considere as afirmativas a seguir:

I- Os compressores parafuso podem ser classificados como de parafuso duplo e de parafuso simples.

II- Compressores de parafuso simples são largamente utilizados na indústria de refrigeração devido à maior penetração.

III- O gás entra no compressor parafuso duplo pela parte superior e sai pela parte inferior.

IV- Os compressores modernos são selados com óleo. O óleo que sai do compressor, arrastado pelo gás, necessita de separação para não haver acúmulo em outras partes do sistema.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I e III.b) ( ) Apenas I, III e IV.c) ( ) Apenas II e IV.d) ( ) Apenas III e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

3 A partir do estudo de equipamentos do sistema de refrigeração, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Um dos componentes encarregados de realizar o processo de transferência de calor nos sistemas de refrigeração são os compressores.

b) ( ) Os condensadores podem ser resfriados à ar, à água ou são evaporativos. Na refrigeração industrial, a maioria dos condensadores resfriam a ar.

AUTOATIVIDADE

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c) ( ) Condensadores resfriados a ar apresentam custo inicial maior, comparado com condensadores resfriados à água e evaporativos.

d) ( ) Nos evaporadores, o processo que ocorre é a mudança de fase do líquido, causando uma variação da resistência de transferência de calor a partir da fração de líquido vaporizado.

e) ( ) As serpentinas são utilizadas para o condicionamento de ar, através de um processo de aquecimento e desumidificação.

4 Os compressores criam um fluxo do refrigerante ao logo dos componentes do sistema. Cite as diferenças entre os compressores alternativos aberto, hermético e semi-hermético.

5 Os compressores parafusos podem ser classificados como parafuso duplo e parafuso simples. Como é o funcionamento de um compressor parafuso duplo?

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UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Um refrigerante é o fluido de trabalho primário usado para absorver e transmitir calor em um sistema de refrigeração (WANG, 2000).

Fluidos refrigerantes são utilizados no processo de refrigeração e são

substâncias que absorvem o calor latente quando passam de líquido para gás e quando a pressão e a temperatura são baixas. Quando essas substâncias condensam de gás para a fase líquida, em pressão e temperaturas altas, o fluido refrigerante libera calor (MILLER; MILLER, 2014).

Prezado acadêmico, a seguir estão as propriedades desejadas para um bom fluido refrigerante para uso comercial, de acordo com Stoecker e Jabardo (2002):

• Apresentar baixo ponto de ebulição.• Ser atóxico.• Ser fácil de liquefazer em pressão e temperaturas moderadas.• Apresentar calor latente elevado.• Apresentar estabilidade química.• Operar em pressões positivas.• Não ser afetado pela umidade.• Ser compatível com óleo de lubrificação do compressor.• Não corrosivo para metais.• Não ser inflamável.• Ser de fácil detecção.• Não causar riscos ao meio ambiente.• Ser comerciado a um custo razoável.

Propriedades como entalpia, peso específico, peso molecular, temperatura de compressão e razão de compressão variam de acordo com os fluidos refrigerantes (MILLER; MILLER, 2014).

Grande parte dos CFCs satisfaz quase totalmente as propriedades citadas acima e por esta razão popularizaram-se como fluidos refrigerantes (STOECKER; JABARDO, 2002). No entanto, a liberação de CFCs é responsável pela decomposição da camada de ozônio.

TÓPICO 3 —

FLUIDOS REFRIGERANTES

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2 CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS REFRIGERANTES

Alguns compostos com propriedades termodinâmicas adequadas podem apresentar características que não são favoráveis e que podem torná-los inadequados, como certo grau de inflamabilidade ou toxicidade. Combinar dois ou mais elementos químicos tem se tornado necessário para obter alternativas para substituição dos CFCs e pode resultar em um composto refrigerante com características desejadas (STOECKER; JABARDO, 2002).

Dessa maneira, os refrigerantes podem ser classificados em hidrocarbonetos halogenados, em misturas não azeotrópicas de hidrocarbonetos halogenados, em misturas azeotrópicas de hidrocarbonetos halogenados, em compostos orgânicos e em compostos inorgânicos (STOECKER; JABARDO, 2002).

O modo pelo qual os fluidos refrigerantes absorvem ou extraem calor das substâncias a serem refrigeradas também é uma forma de classificação, como: Classe 1, Classe 2 e Classe 3.

Fluidos refrigerantes pertencentes à Classe 1 são aplicados em compressores padrão dos sistemas de refrigeração. Os fluidos classificados nesta classe resfriam pela absorção ou pela extração de calor das substâncias a serem refrigeradas pela absorção de calor latente (MILLER; MILLER, 2014).

Alguns fluidos refrigerantes típicos pertencentes à Classe 1 são o dióxido de enxofre, o cloreto de metila, a amônia, o dióxido de carbono, o freezol (isobutano) e os tipos de freon.

A Classe 2 emprega os fluidos refrigerantes considerados como agentes de resfriamento intermediário e resfriam pela absorção de calores sensível (MILLER; MILLER, 2014).

Alguns fluidos refrigerantes típicos pertencentes à Classe 2 são o ar, a salmoura de cloreto de cálcio, a salmoura de cloreto de sódio (sal), o álcool e soluções anticongelantes semelhantes.

Fluidos refrigerantes utilizados em sistemas-padrão de refrigeração por absorção são classificados na Classe 3. A Classe 3 constitui de soluções com vapores absorvidos de agentes liqueficáveis ou meios refrigerantes, que funcionam pela capacidade de transporte dos vapores liqueficáveis. O efeito refrigerante é produzido pelos vapores a partir da absorção de calor latente (MILLER; MILLER, 2014).

Um exemplo de fluido refrigerante pertencente à Classe 3 é a água amoniacal, que é uma solução composta por água destilada e amônia pura.

TÓPICO 3 — FLUIDOS REFRIGERANTES

91

3 PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DOS REFRIGERANTES

A preservação da camada de ozônio é hoje a prioridade da seleção do refrigerante. Além disso, o efeito do aquecimento global e os seguintes fatores devem ser considerados.

3.1 REQUISITOS DE SEGURANÇA

O refrigerante pode vazar das juntas dos tubos, vedações ou peças dos componentes durante a instalação, operação ou até mesmo em acidentes. Os refrigerantes, portanto, devem ser aceitavelmente seguros para humanos e processos de fabricação, com pouca ou nenhuma toxicidade ou inflamabilidade. No padrão ANSI/ASHRAE 34-1997, a toxicidade de refrigerantes é classificada como classe A ou B (WANG, 2000).

Os refrigerantes da Classe A são de menor toxicidade. Um refrigerante de classe A é aquele cuja toxicidade não foi identificada quando a concentração é menor ou igual a 400 ppm (partes por milhão em massa), com base no valor limite – média ponderada no tempo (TLV-TWA) ou índices equivalentes. A concentração TLV-TWA é uma concentração à qual os trabalhadores podem ser expostos durante um dia de trabalho de 8 horas e uma semana de trabalho de 40 horas sem sofrer efeitos adversos (WANG, 2000).

Os refrigerantes da Classe B são de alta toxicidade. O refrigerante de classe B produz evidências de toxicidade quando os trabalhadores são expostos a uma concentração abaixo de 400 ppm com base em uma concentração de TLV-TWA. Os refrigerantes inflamáveis explodem quando inflamados. Se um refrigerante inflamável vazar na área de um incêndio, o resultado é uma explosão imediata (WANG, 2000).

O padrão ANSI / ASHRAE 34-1997 classifica a inflamabilidade de refrigerantes nas classes 1, 2 e 3. Os refrigerantes da Classe 1 não apresentam propagação de chama quando testados no ar a uma pressão de 14,7 psia (101 kPa) a 65 °F (18,3 °C) (WANG, 2000).

Os refrigerantes da Classe 2 têm um limite de inflamabilidade inferior de mais de 0,00625 lb/ft3 (0,1 kg/m3) a 70 °F (21,1 °C) e 14,7 psia (101 kPa abs.) E um calor de combustão menor que 8174 Btu/lb (19000 kJ/kg) (WANG, 2000).

Os refrigerantes da Classe 3 são altamente inflamáveis, com um limite de inflamabilidade inferior menor ou igual a 0,00625 lb/ft3 (0,1 kg/m3) a 70 °F (21,1 °C) e 14,7 psia (101 kPa abs.) Ou um calor de combustão maior que ou igual a 8174 Btu/lb (19000 kJ/kg) (WANG, 2000).

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A classificação de segurança de um refrigerante é sua combinação de toxicidade e inflamabilidade. De acordo com o padrão ANSI/ASHRAE 34-1997, os grupos de segurança são classificados da seguinte forma (MILLER; MILLER, 2014):

• A1: baixa toxicidade e sem propagação de chama.• A2: menor toxicidade e menor inflamabilidade.• A3: menor toxicidade e maior inflamabilidade.• B1: toxicidade superior e sem propagação de chama.• B2: Toxicidade superior e inflamabilidade inferior.• B3: maior toxicidade e maior inflamabilidade.

Para misturas azeotrópicas cuja inflamabilidade e toxicidade podem mudar conforme sua composição, uma classificação de segurança dupla deve ser determinada. A primeira classificação denota a classificação da composição formulada da mistura. A segunda classificação lista a classificação da composição da mistura no pior caso de fracionamento (MILLER; MILLER, 2014).

3.1.1 Eficácia do ciclo de refrigeração

A eficácia dos ciclos de refrigeração, ou coeficiente de desempenho (COP), é um parâmetro que afeta a eficiência e o consumo de energia do sistema de refrigeração. O COP de um ciclo de refrigeração usando um refrigerante específico depende principalmente da entrada de trabalho isentrópica para o compressor em um dado diferencial de pressão de condensação e evaporação, bem como do efeito de refrigeração produzido (WANG, 2000).

3.2 PRESSÕES DE EVAPORAÇÃO E CONDENSAÇÃO

É melhor usar um refrigerante cuja pressão de evaporação seja superior à atmosfera, de modo que o ar e outros gases não condensáveis não vazem para o sistema e aumentem a pressão de condensação (WANG, 2000).

A pressão de condensação deve ser baixa porque a alta pressão de condensação exige uma construção mais pesada do compressor, tubulação, condensador e outros componentes. Além disso, um compressor centrífugo de alta velocidade pode ser necessário para produzir uma alta pressão de condensação (WANG, 2000).


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3.3 MISCIBILIDADE DO ÓLEO

Quando uma pequena quantidade de óleo é misturada com refrigerante, a mistura ajuda a lubrificar as partes móveis de um compressor. O óleo deve ser devolvido ao compressor do condensador, evaporador, acessórios e tubulação a fim de fornecer lubrificação contínua. Por outro lado, o refrigerante pode diluir o óleo, enfraquecendo seu efeito lubrificante e quando o óleo adere aos tubos do evaporador ou condensador, forma-se um filme que reduz a taxa de transferência de calor (WANG, 2000).

3.4 INÉRCIA

Um refrigerante inerte não reage quimicamente com outros materiais, evitando corrosão, erosão ou danos aos componentes do circuito refrigerante (WANG, 2000).

3.5 CONDUTIVIDADE TÉRMICA

A condutividade térmica de um refrigerante está intimamente relacionada à eficiência da transferência de calor no evaporador e condensador de um sistema de refrigeração. O refrigerante sempre tem uma condutividade térmica mais baixa em seu estado de vapor do que em seu estado líquido. A alta condutividade térmica resulta em maior transferência de calor em trocadores de calor (WANG, 2000).

3.6 CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO

O vapor de sucção de pés cúbicos por minuto (cfm) de refrigerante necessário para produzir 1 tonelada de refrigeração (litros por segundo para produzir 1 kW de refrigeração) depende principalmente do calor latente de vaporização do refrigerante e do volume específico na pressão de sucção. Afeta diretamente o tamanho e a compactação do compressor e é um dos critérios para a seleção do refrigerante (WANG, 2000).

3.7 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

3.7.1 Temperatura de descarga

Uma temperatura de descarga inferior a 212 °F (100 °C) é preferível porque temperaturas superiores a 300 °F (150 °C) podem carbonizar o óleo lubrificante ou danificar alguns dos componentes (WANG, 2000).

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3.7.2 Propriedades Dielétricas

As propriedades dielétricas são importantes para aqueles refrigerantes que estarão em contato direto com os enrolamentos do motor (como refrigerantes usados para resfriar os enrolamentos do motor em um compressor hermeticamente selado e conjunto de motor) (WANG, 2000).

3.8 CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS

3.8.1 Detecção de vazamento

O vazamento de refrigerante deve ser facilmente detectado. Do contrário, ocorrerá uma redução gradual da capacidade e eventual falha em fornecer o resfriamento necessário. A maioria dos refrigerantes usados atualmente são incolores e inodoros. O vazamento de refrigerante do sistema de refrigeração é frequentemente detectado pelos seguintes métodos (WANG, 2000):

• Tocha Halide: este método é simples e rápido. Quando o ar flui sobre um elemento de cobre aquecido por uma chama de álcool metílico, o vapor do refrigerante halogenado se decompõe e muda a cor da chama (verde para um pequeno vazamento, azulado com um topo avermelhado para um grande vazamento).

• Detector eletrônico: este tipo de detector revela uma variação da corrente elétrica devido à ionização do refrigerante decomposto entre dois eletrodos com carga oposta. É sensível, mas não pode ser usado onde o ar ambiente contém vapores explosivos ou inflamáveis.

• Método de bolha: uma solução de sopa ou detergente é passada sobre os selos e juntas onde há suspeita de vazamento, produzindo bolhas que podem ser facilmente detectadas.


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ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO COM COMPRESSOR ALTERNATIVO ISENTO DE ÓLEO UTILIZANDO

O FLUIDO R-600a (ISOBUTANO)

INTRODUÇÃO

Devido à importância do compressor e do fluido refrigerante nos ciclos de refrigeração por compressão de vapor e visando atender às necessidades do mercado atual de refrigeração residencial e comercial, que buscam novas alternativas às exigências ambientais relacionadas ao descarte de componentes nocivos e de substituição gradual dos fluidos refrigerantes que contribuem para a destruição da camada de ozônio e para o efeito estufa, este trabalho analisa experimentalmente um sistema frigorígeno de um refrigerador (geladeira) operando com um compressor alternativo isento de óleo (originalmente projetado para sistemas de ar comprimido em clínicas odontológicas) com um hidrocarboneto (Isobutano) como o fluido refrigerante. Nos trabalhos acadêmicos pesquisados até a finalização desse artigo, não foram encontrados estudos que aplicam compressores alternativos isentos de óleo em ciclos de refrigeração por compressão de vapor.

Durante os trabalhos realizados para sua dissertação de mestrado, SILVA J.C. (2008), efetuou pesquisas em sistemas de refrigeração de pequeno e médio porte. Como sistema de pequeno porte foi utilizado um bebedouro doméstico, que foi estudado para os fluidos refrigerantes R-290, R-600a e uma mistura desses dois gases, nas proporções de 50%/50%. Os resultados foram comparados com o fluido de trabalho original do bebedouro, o R-12. A mistura entre os fluidos refrigerantes (R-290+R-600a) apresentou o melhor rendimento em comparação a cada fluido individualmente, além de proporcionar o menor tempo de resfriamento da mesma massa de água. Entretanto, entre o R290 e o R600a, SILVA J.C. (2008) concluiu que o R-600a é o melhor candidato a substituir o R-12 em sistemas de refrigeração de pequeno porte, tipo bebedouro, sem que haja a necessidade de modificações nos componentes (compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador) do sistema de refrigeração (circuito frigorígeno).

Uma das conclusões propostas por SILVA J.C. (2008), foi que o sistema de refrigeração de pequeno porte desempenhou uma pressão máxima de descarga de 98PSIg com o fluido refrigerante R-600a condensando a 55ºC, como o compressor isento de óleo possui pressão máxima de descarga em 120PSIg, o mesmo foi capaz de trabalhar como substituto ao compressor original que possui óleo.

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METODOLOGIA EXPERIMENTAL

As atividades experimentais foram realizadas com um refrigerador doméstico (geladeira). As especificações técnicas do refrigerador e do compressor isento de óleo estão descritas na Tabela 1 e na Tabela 2.

Tabela 1. Especificações técnicas do Refrigerador.

Tabela 2. Especificações técnicas do compressor isento de óleo.

Estratégia e fases

Os estudos foram realizados no Laboratório de Refrigeração da subárea de Termofluidos do Colegiado de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF). A sequência empregada para os experimentos é indicada a seguir:

1º) Manutenção preventiva no compressor isento de óleo, Figura 1; 2º) Instalação do compressor isento de óleo nas linhas de sucção e descarga originais mantendo-o em paralelo com o compressor original, Figura 2; 3º) Início de vácuo no sistema (Evacuação do circuito frigorígeno) com uma bomba de 5CFM; 4º) Finalização de vácuo no sistema; 5º) Instalação da instrumentação para a coleta de dados, conforme ilustrado na Figura 3; 6º) Conexão da garrafa do fluido refrigerante a ser adicionado no circuito e posicionamento da garrafa do fluido refrigerante sobre a balança digital, conforme ilustrado na Figura 4 e mostrado na Figura 5; 7º) Adição de isobutano (R-600a) até 50% da carga do fluido original; 8º) Acionamento do compressor original; 9º) Verificação da existência de congelamento na saída do dispositivo de expansão (Tubo capilar). Caso ocorra, procede-se a uma nova adição de fluido refrigerante com o compressor ligado até que o congelamento na saída do dispositivo de expansão desapareça. Registra-se então a massa total que entrou no circuito frigorígeno; 10º) Desligar o compressor original que está em funcionamento e ligar o compressor isento de óleo; 11°) Monitoramento e registro os valores de pressões (Sucção e descarga) e


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temperaturas (Sucção, descarga e interna do refrigerador). As medições tiveram intervalos de 10min, cada experimento foi 15 vezes repetido para as coletas dos dados (medições). Os valores mostrados na Tabela 3 e Tabela 4 foram obtidos através de média simples. O início das coletas, ou seja, a primeira medição de cada coleta foi feita com a temperatura interna atingindo 0ºC.

FIGURA 1. Detalhe do compressor isento de óleo durante a manutenção preventiva

FONTE: Próprio Autor (2009)

FIGURA 2. Motocompressor original do refrigerador e compressor isento de óleo instalados em paralelo


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FIGURA 3. Diagrama esquemático da aquisição de dados


FIGURA 4. Diagrama esquemático da carga de fluido refrigerante



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FIGURA 5. Foto de uma carga de fluido refrigerante

FONTE: Próprio autor (2009)

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste item são apresentados e discutidos os resultados do experimento com o compressor isento de óleo e o fluido refrigerante R-600a, salienta-se que os outros componentes mecânicos do circuito frigorígeno (condensador, dispositivo de expansão e evaporador) do refrigerador não sofreram alterações.

Tabela 3. Valores do superaquecimento e do subresfriamento

Tabela 4. Valores das pressões e temperaturas

Verifica-se que o Superaquecimento se apresentou muito alto, com valores variando entre 24 ºC e 25,5 ºC, sabe-se que esse fato é prejudicial, pois indica que boa parte do evaporador não está sendo ocupada por fluido refrigerante no estado líquido. A pressão de descarga não atingiu o limite da pressão máxima de trabalho do compressor isento de óleo de 120 PSIg. As temperaturas de sucção e linha de líquido (saída do condensador) apresentaram valores coerentes. A temperatura do ar interno no compartimento superior do refrigerador atingiu, na fase final do experimento (após 90min), valores superiores aos registrados pelo refrigerador funcionando com o compressor original, ou seja, a menor temperatura registrada com o compressor original foi de -17 ºC e com o compressor isento de óleo foi de -11 ºC.

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CONCLUSÕES

As vantagens da eliminação da lubrificação com óleo em sistemas de refrigeração por compressão de vapor incluem a remoção de muitos problemas associados à mistura do óleo com o fluido refrigerante do sistema, o óleo lubrificante promove situações de isolamento térmico nos evaporadores, com isso o sistema apresenta uma redução de sua capacidade frigorífica (térmica). O compressor alternativo isento de óleo, originalmente projetado para sistemas de ar comprimido, aplicado em um refrigerador (geladeira) com o fluido refrigerante R-600a (isobutano), apresentou valores de pressões operacionais não muito distorcidas dos motocompressores originais.

Em um momento posterior, pode-se alterar o comprimento do dispositivo de expansão (capilar) com o objetivo de se elevar um pouco a pressão de sucção e reduzir a pressão de descarga, objetivando a redução do superaquecimento e o aumento do rendimento térmico através da redução da temperatura do ar interno no refrigerador como um todo.

Analisando os parâmetros mostrados na Tabela 1 e Tabela 2, conclui-se preliminarmente que há possibilidade do uso de compressores isentos de óleo. Porém, em trabalhos futuros, outros parâmetros, tais como: COP (Coeficiente de Performance) do compressor, análises energéticas e exergéticas poderão ser estudadas e apresentados para melhor fundamentar o estudo em questão.

FONTE: SILVA, J.C.; SILVA, A.C.G.C. Estudo experimental de um sistema de refrigeração com compressor alternativo isento de óleo utilizado o fluido R-600ª (Isobutano). VI Congresso Na-cional de Engenharia Mecânica. 2010.

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RESUMO DO TÓPICO 3


• Fluidos refrigerantes são utilizados no processo de refrigeração.

• Fluidos refrigerantes absorvem o calor latente quando passam de líquido para gás quando a pressão e a temperatura são baixas.

• Fluidos refrigerantes liberam calor quando passam de gás para líquido, em pressão e temperaturas altas.

• Existem propriedades desejadas para um fluido ser considerado utilizável para uso comercial.

• CFCs são fluidos que satisfazem quase todas as propriedades desejadas, porém afetam o meio ambiente.

• Existem classificações diferentes para os fluidos refrigerantes.


CHAMADA

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1 Com relação ao conceito de fluidos refrigerantes, assinale a alternativa INCORRETA:

a) ( ) Um refrigerante é um fluido de trabalho primário usado para absorver e transmitir calor em um sistema de refrigeração.

b) ( ) Fluidos refrigerantes são substâncias que absorvem o calor latente quando passam de gás para líquido, quando a pressão e a temperatura são baixas.

c) ( ) Um bom fluido refrigerante deve apresentar baixo ponto de ebulição, ser atóxico e ser fácil de liquefazer em pressão e temperaturas moderadas.

d) ( ) Um fluido refrigerante não deve ser inflamável, não ser afetado pela umidade e não deve causar riscos ao meio ambiente.

e) ( ) Grande parte dos CFCs satisfaz quase totalmente as propriedades de um bom fluido refrigerante, e por esta razão, são populares como fluidos refrigerantes.

2 Com relação à classificação dos fluidos refrigerantes, observe as afirmações a seguir:

I- Os refrigerantes podem ser classificados em hidrocarbonetos halogenados, em misturas não azeotrópicas de hidrocarbonetos halogenados, em misturas azeotrópicas de hidrocarbonetos halogenados, em compostos orgânicos e em compostos inorgânicos.

II- O modo pelo qual os fluidos absorvem ou extraem calor das substâncias a serem refrigeradas também é uma forma de classificação.

III- Fluidos refrigerantes pertencentes à classe 1 são aplicados em compressores padrão dos sistemas de refrigeração.

IV- Fluidos refrigerantes da classe 2 são considerados como agentes de resfriamento intermediário e resfriam pela absorção de calores sensível.


3 Assinale a alternativa INCORRETA com relação às propriedades e características dos refrigerantes:

a) ( ) É melhor usar um refrigerante cuja pressão de evaporação seja inferior à atmosfera, de modo que o ar e outros gases não condensáveis não vazem para o sistema e diminuam a pressão de condensação.

AUTOATIVIDADE

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b) ( ) Quando uma pequena quantidade de óleo é misturada com o fluido refrigerante, a mistura ajuda a lubrificar as partes móveis de um compressor.

c) ( ) Um refrigerante inerte não reage quimicamente com outros materiais, evitando corrosão, erosão ou danos aos componentes do circuito refrigerante.

d) ( ) A condutividade térmica de um refrigerante está relacionada à eficiência da transferência de calor no evaporador e condensador de um sistema de refrigeração

e) ( ) O vazamento de refrigerante deve ser facilmente detectado.

4 O que são fluidos refrigerantes e por que eles são importantes no processo de refrigeração?

5 Qual a importância de se combinar dois ou mais compostos refrigerantes ao invés de utilizar CFCs?

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REFERÊNCIAS

BERG CHILLING SYSTEMS. Disponível em: https://berg-group.com/engineered-solutions/the-science-behind-refrigeration/. Acesso em: 8 dez. 2020.

ENTER PEÇAS: COMPRESSOR ABERTO. Disponível em: http://www.enterpecas.com.br/compressor-aberto.php. Acesso em: 8 dez. 2020.

ENTER PEÇAS: COMPRESSOR HERMÉTICO. Disponível em: http://www.enterpecas.com.br/compressores-hermeticos.php. Acesso em: 8 dez. 2020.

ENTER PEÇAS: COMPRESSOR SEMI-HERMÉTICO. Disponível em: http://www.enterpecas.com.br/compressor-semi-hermetico.php. Acesso em: 8 dez. 2020.

MILLER, R.; MILLER, M.R. Ar-condicionado e refrigeração. 2 ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2014.

SILVA, J.C.; SILVA, A.C.G.C. Estudo experimental de um sistema de refrigeração com compressor alternativo isento de óleo utilizado o fluido R-600ª (Isobutano). VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica. 2010.

STOECKER, W.F.; JABARDO, J.M.S. Refrigeração Industrial. 2 ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda, 2002.

STOECKER, W.F.; JONES, J.W. Refrigeração e Ar Condicionado. Tradução José M. Saiz Jabardo, Euryale Zerbine, Silvio de Oliveira Júnior e Saburo Ikeda. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1985.

WANG, S.K. Handbook of air conditioning and refrigeration. 2 ed. USA: McGraw-Hill, 2000.

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UNIDADE 3 —

CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO


PLANO DE ESTUDOS


• conhecer sobre o funcionamento básico dos sistemas de ar condicionado;

• compreender conceitos dos dispositivos e dos sistemas de controle;

• conhecer os tipos principais de ventiladores usados em sistemas de ar condicionado e ventilação;

• compreender sobre a classificação dos sistemas de ar condicionado.


TÓPICO 1 – AR CONDICIONADO, GESTÃO DE ENERGIA E SISTEMAS DE CONTROLE

TÓPICO 2 – SISTEMAS DE AR: VENTILADORES

TÓPICO 3 – SISTEMAS DE AR CONDICIONADO


CHAMADA

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107

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Prezado acadêmico, o condicionamento de ar é um processo combinado que executa várias funções simultaneamente. O ar-condicionado é um equipamento que condiciona o ar, transporta-o e o introduz no espaço condicionado, fornecendo aquecimento ou resfriamento do ambiente. Além disso, ele mantém e controla a temperatura, o movimento do ar, a umidade, a limpeza do ar, entre outros, para o conforto e saúde das pessoas que estão no ambiente, ou para fins de processamento do produto (WANG, 2000).

A combinação de processos no termo AVAC-R (HVAC-R) equivale à definição atual de ar condicionado, e é frequentemente usado pela indústria (WANG, 2000). No Tópico 1 desta unidade, você poderá entender sobre o funcionamento básico dos sistemas de ar condicionado, sua classificação, bem como as etapas básicas para o desenvolvimento de projeto de ar condicionado. Além disso, poderá saber os conceitos dos dispositivos e dos sistemas de controle.

TÓPICO 1 —

AR CONDICIONADO, GESTÃO DE

ENERGIA E SISTEMAS DE CONTROLE

HVAC-R é uma sigla utilizada que significa Heating, Ventilating, Air Conditioning and Refrigeration. Em português, o termo é conhecido como AVAC-R, que significa Aquecimento, Ventilação, Ar Condicionado e Refrigeração.

NOTA

2 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO DE CONFORTO E PROCESSO

Um sistema de ar condicionado é composto por equipamentos e componentes dispostos em sequência, de forma a desempenhar funções como fornecer a energia de resfriamento e aquecimento necessária, condicionar o ar fornecido (aquecer ou resfriar, umidificar ou desumidificar, limpar e purificar, e

UNIDADE 3 — CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO

108

atenuar qualquer ruído desagradável produzido pelo equipamento), distribuir o ar condicionado para o espaço condicionado, controlar e manter os parâmetros ambientais internos (temperatura, umidade, limpeza, movimento do ar, nível de som e diferença de pressão entre o espaço condicionado e o ambiente) dentro de limites predeterminados (WANG, 2000).

Os sistemas de ar condicionado podem ser classificados de acordo com suas aplicações como sistemas de ar condicionado de conforto e sistemas de ar condicionado de processo (STOECKER, JABARDO, 2002).

Os sistemas de ar condicionado de conforto proporcionam aos ocupantes um ambiente interior confortável e saudável para as atividades, como em escritórios, supermercados, lojas de departamento, shoppings, restaurantes, salas de aula, bibliotecas, museus, setores residenciais e de hospedagem, hospitais, setores de transporte, entre outros.

Sistemas de ar condicionado de processo fornecem o controle ambiental interno necessário para a fabricação, armazenamento de produtos ou outros processos de pesquisa e desenvolvimento, como para a indústria têxtil, na fabricação de circuitos integrados, para produtos farmacêuticos, entre outros.

2.1 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO CENTRAL HIDRÔNICO

Os sistemas de ar condicionado hidrônico também são conhecidos como sistemas de ar condicionado central. Neste tipo de sistema, o ar é resfriado ou aquecido por meio de serpentinas, que são preenchidas com água resfriada ou água quente. Esta água é distribuída por meio de uma planta central de aquecimento ou resfriamento (WANG, 2000).

A principal aplicação do sistema de ar condicionado central é em edifícios de grandes áreas com muitas zonas de espaço condicionado ou em edifícios separados (WANG, 2000).

O transporte de energia de aquecimento e resfriamento de uma planta central para unidades remotas de tratamento de ar em salas de ventiladores é muito mais eficiente usando água do que ar, visto que a água tem uma capacidade de calor muito maior que o ar. No entanto, um sistema de água adicional reduz a temperatura de evaporação do sistema de refrigeração e torna um projeto de pequeno ou médio porte mais complicado e caro (WANG, 2000).

TÓPICO 1 — AR CONDICIONADO, GESTÃO DE ENERGIA E SISTEMAS DE CONTROLE

109

3 DESENVOLVIMENTO DE PROJETO DE AR CONDICIONADO

Caro acadêmico, para o desenvolvimento de um grande sistema de ar condicionado, algumas etapas básicas devem ser seguidas, como o projeto, a construção, o comissionamento, a operação, a atualização da eficiência energética e a manutenção.

A Figura 1, a seguir, é um diagrama que descreve a relação entre essas etapas e as partes envolvidas:

FIGURA 1 – ETAPAS NO DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EM EDIFÍCIOS

FONTE: Adaptado de Wang (2000)

Arquiteto

Consultor deengenharia

Design de ar condicionado

Dono oudesenvolvedor

Empreiteiros ConstruçãoEquipamentos

e instrumentos de fabricantes

Comissionamento

Atualização deeficiência energética

Sistemas dear condicionado

Grupo de gerenciamento

Operação emanutenção de

edifícios

Ocupantes ouinquilinos


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O proprietário define os critérios e os requisitos. Os profissionais de design em empresas de consultoria de engenharia mecânica projetam o sistema de ar condicionado e preparam os documentos de design. Os fabricantes fornecem os equipamentos, instrumentos e materiais. Os empreiteiros instalam e constroem o sistema de ar condicionado. Após a construção, o sistema de ar condicionado é comissionado por uma equipe e, em seguida, entregue ao grupo de operação e manutenção da administração do imóvel para operação diária. Após um certo período de operação, uma empresa de serviços de energia pode frequentemente ser solicitada a atualizar a eficiência energética do sistema (WANG, 2000).

Existem dois tipos de desenvolvimento de projeto: licitação de design e design-construção. Um projeto de licitação de design separa as responsabilidades de design e instalação, enquanto em um projeto de design-construção, a engenharia é feita pelo empreiteiro de instalação. Um projeto design-construção pode existir quando o projeto é muito pequeno para reter um consultor de engenharia ou quando o tempo não é suficiente para passar pelos procedimentos normais de licitação de projeto (WANG, 2000).

O objetivo destas etapas é fornecer um sistema de ar condicionado que seja mais ecologicamente correto, com eficiência energética e custo-benefício, de forma a controlar eficazmente os parâmetros ambientais internos. Manter a temperatura e a umidade dentro dos limites exigidos, fornecer uma quantidade adequada de ventilação externa e uma qualidade de ar interna aceitável, minimizar a destruição da camada de ozônio e o efeito do aquecimento global, selecionar componentes e sistemas econômicos, garantir a manutenção adequada, fácil acesso e controle de riscos são os principais pontos que devem ser verificados e pontuados durante o projeto (WANG, 2000).

Os principais problemas relatados em sistemas de ar condicionado são: má qualidade do ar interior, a tecnologia rapidamente modificada ao longo dos anos, que faz com que muitos projetistas e operadores não estejam devidamente equipados para aplicar e usar esses sistemas, e a comunicação insuficiente entre profissionais de design, grupos de construção e operadores. A operação eficaz requer um operador experiente para fazer ajustes se necessário, de acordo com as intenções do designer. O comissionamento negligenciado também é um problema. Comissionamento significa testar e balancear todos os sistemas, testar o funcionamento e ajustar os controles digitais diretos (WANG, 2000).

Um sistema de ar condicionado é diferente da fabricação de produtos que possuem modelos e protótipos. Todos os defeitos e erros dos protótipos podem ser verificados e corrigidos durante seus testes individuais, mas o sistema de ar condicionado é mais complicado, visto que, conforme são construídos e instalados, é o produto final. Portanto, o condicionamento adequado é extremamente importante, porque permite que o sistema funcione conforme especificado nos documentos de projeto (WANG, 2000).


111

3.1 PROJETO PARA SISTEMA DE AR CONDICIONADO

O projeto do sistema determina as características básicas. Depois que um sistema de ar condicionado é construído de acordo com o projeto, é difícil e caro mudar o conceito do projeto. O procedimento normal em um projeto de licitação de design inclui as seguintes etapas e requisitos (WANG, 2000):

• Início de um projeto de construção pelo proprietário ou desenvolvedor.• Seleção da equipe de design.• Definição dos critérios de design e parâmetros ambientais internos.• Seleção de alternativas conceituais para sistemas e subsistemas, preparação de

layouts esquemáticos de sistemas de ar condicionado.• Preparação de documentos de contrato, desenhos de trabalho, especificações,

materiais e métodos de construção, diretrizes de comissionamento.• Licitação competitiva por empreiteiros.• Avaliação de licitações, negociações e modificação dos documentos do contrato.• Aconselhamentos sobre o contrato.• Revisão dos desenhos da oficina e cronograma de comissionamento, manuais

de operação e manutenção.• Monitoramento, supervisão e inspeção da construção.• Supervisão de comissionamento: teste e balanceamento; testes de desempenho

funcional.• Modificação dos desenhos para satisfazer às condições e a finalização do

manual de operação e manutenção.• Aceitação.

A obra começa após a licitação e negociação, e termina na aceitação do projeto após o comissionamento. É necessário que o projetista selecione entre as alternativas disponíveis para melhor conforto, economia, conservação de energia, ruído, segurança, flexibilidade, confiabilidade, conveniência e facilidade de manutenção.

4 SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO

Um sistema de controle automático de ar condicionado ou simplesmente um sistema de controle, modula principalmente a capacidade do equipamento de ar-condicionado manter parâmetros predeterminados dentro de uma carcaça, ou para o fluido que entra ou sai do equipamento para atender à carga e às mudanças climáticas com consumo energia ideal e operação segura. O parâmetro ou variável predeterminada a ser controlada é chamada de variável controlada. No ar-condicionado ou em sistemas de ar condicionado, a variável controlada pode ser temperatura, umidade relativa, pressão, entalpia, fluxo de fluido, concentração de contaminante etc. Por causa da variação da carga de espaço e do


112

clima externo, um sistema de controle é um dos fatores decisivos para um sistema de ar condicionado atingir seu objetivo: controlar efetivamente os parâmetros ambientais internos, ser eficiente em termos de energia e fornecer mais segurança e proteção (MILLER; MILLER, 2014).

4.1 LOOP DE CONTROLE E MÉTODOS DE CONTROLE

A Figura 2 representa um sistema de gerenciamento e controle de energia para um grande prédio alto construído na década de 1990 (WANG, 2000).

FIGURA 2 – DIAGRAMA DE UM SISTEMA DE GERENCIAMENTO E CONTROLE DE ENERGIA



113

O elemento básico de um sistema de controle é um loop de controle. Um loop de controle geralmente consiste em um sensor (como T2 na Figura 2) que detecta e mede a variável controlada de ar em recirculação. Um controlador DDC (controle digital direto) compara o sinal de entrada detectado com a condição predeterminada (o ponto de ajuste – set point) e envia um sinal de saída para acionar o terceiro elemento. O terceiro elemento pode ser conhecido com um damper ou como uma válvula (representado na Figura 2), e é um dispositivo controlado ou elemento de controle (WANG, 2000).

Modulação, ajustes de minuto ou controle liga-desliga de dampers e válvulas irão alterar a posição dos dispositivos controlados ou o status operacional, o que afeta a variável controlada alterando o fluxo de ar e de água, o fornecimento de energia elétrica e assim por diante. A variável controlada é, portanto, variada em direção ao valor predeterminado (ponto de ajuste – Valor alvo no qual um controlador de temperatura tenta manter a variável de processo) (WANG, 2000).

Existem dois tipos de loops de controle, abertos e fechados. Um sistema de loop aberto assume uma relação fixa entre a variável controlada e o sinal de entrada recebido. A variável detectada não é a variável controlada, portanto, não há um feedback. Um exemplo de um sistema de loop aberto seria um ventilador que liga quando a temperatura externa excede um ponto de ajuste especificado. A variável detectada é a temperatura do ar externa e a variável controlada é o estado do ventilador (ligado ou desligado) (WANG, 2000).

Um sistema de loop fechado depende da detecção da variável controlada para variar a saída do controlador e modular o dispositivo controlado. Na Figura 2, o sensor de temperatura T2 detecta a variável controlada, que é a temperatura de recirculação do ar entrando no manipulador de ar (Tru). O controlador da unidade DDC recebe essa entrada de sinal detectado e produz uma saída de acordo com o software armazenado para modular a velocidade do ventilador ou a posição das palhetas de entrada do ventilador de alimentação. Conforme a velocidade do ventilador de fornecimento muda, ou as aletas de entrada abrem e fecham, a taxa de fluxo de volume do ar fornecido, a temperatura ambiente (Tr) e a temperatura de recirculação (Tru) variam. Esta mudança na Tru é detectada novamente por T2 e realimentada para o controlador para modulação adicional de velocidade do ventilador ou aletas de entrada para manter os valores de Tru que se aproximam dos pontos de ajustes. Esses componentes formam um sistema de loop fechado (WANG, 2000).

A Figura 3 mostra um diagrama de blocos desse sistema em loop fechado.


114

FIGURA 3 – DIAGRAMA DE BLOCOS PARA UM SISTEMA DE CONTROLE EM LOOP FECHADO


A Figura 3 mostra uma entrada secundária para o controlador, como a temperatura do ar externo T0 que pode redefinir o ponto de ajuste no controlador para fornecer um controle melhor e mais econômico. Os distúrbios que afetam a variável controlada são variações de carga e mudanças no clima externo. Depois que o controlador detecta o sinal de retorno, ele envia um sinal corretivo para o dispositivo controlado com base na diferença entre a variável controlada detectada e o ponto de ajuste. Assim, Tru está sob contínua comparação e correção. Um sistema de controle ou seu componente, subsistema de controle, usado para controlar a(s) variável(eis) controlada(s) em um espaço condicionado, ou dentro de um dispositivo ou equipamento mecânico, pode conter apenas um circuito de controle, ou pode conter dois ou mais loops (WANG, 2000).

4.2 SEQUÊNCIA DE OPERAÇÕES

A sequência de operações é uma descrição da ordem sequencial das operações funcionais que um sistema de controle deve realizar, que planeja e orienta a operação e o controle de um sistema de ar condicionado. Para um sistema empacotado de resfriamento de volume de ar variável (VAV) de zona única mostrado na Figura 2, quando o fornecimento de ar frio é necessário durante a ocupação total, a sequência de operações do modo de resfriamento é a seguinte (WANG, 2000):

• O ventilador de alimentação é iniciado e interrompido pelo software de programação armazenado no controlador da unidade DDC. A substituição manual é possível. Quando a programação de tempo coloca este sistema no modo de ocupação de resfriamento, o controlador baseado em microprocessador passa por um curto período de iniciação, como um período de 2 minutos.

Set pointControlador

Feedback

Entradasecundária

Dispositivocontrolado

(damper, válvula...)

Pertubações

Planta deprocesso(bobinas)

Processo(variável

controlada)

Sensor (elemento

de detecção)


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Durante este período, os dampers são acionados para as posições totalmente aberta, mínima aberta e totalmente fechada. Eles determinam a faixa efetiva da faixa do potenciômetro do economizador. O detector de fumaça no ar de retorno ou o sensor de limite de baixa temperatura do ar misturado irá parar o ventilador de alimentação, se necessário. O status do ventilador de alimentação (ligado ou desligado) é determinado pelo interruptor do diferencial de pressão no ventilador. Quando o período de iniciação é concluído, o ventilador de suprimento é ligado.

• O sistema de controle tende a manter a temperatura de recirculação Tru em torno do ponto de ajuste frio e usa o ciclo econômico de resfriamento de livre 100% de ar externo como o primeiro estágio de resfriamento. Se a temperatura externa T0 ≤ Tru, o damper de ar externo é totalmente aberto e o damper de recirculação de ar é fechado. Se a temperatura do ar externo T0 > Tru, o damper de ar externo é fechado em uma posição mínima para fornecer o ar de ventilação externo necessário e o damper de recirculação é totalmente aberto.

• Quando o período de iniciação é concluído, o ventilador de alimentação é ligado a partir de sua velocidade zero. Se Tru, detectado pelo sensor de temperatura T2, estiver em um valor acima do ponto de ajuste, Tru > Tc,set, também T0 ≤ Tru, a velocidade do ventilador de alimentação é gradualmente aumentada pelo inversor de acionamento de velocidade variável, resultando em uma taxa de fluxo de volume de suprimento mais alta. Quando a velocidade do ventilador é elevada ao seu limite superior, a vazão do volume de alimentação está então em seu valor máximo. Uma carga do espaço ainda maior aumenta Tru e excede o ponto de ajuste frio (Tc,set), e se T0 ≤ Tru, a água refrigerada começa a fluir para a serpentina de resfriamento para resfriar o ar simultaneamente com o resfriamento livre do ar externo, a fim de fazer Tru ≈ Tc,set.

• Somente quando o damper de ar externo estiver totalmente aberto e a diferença de pressão estática entre o ar do espaço e o ar externo for maior do que um valor predefinido, o ventilador de escape será energizado.

4.3 MÉTODOS DE CONTROLE

Os métodos de controle podem ser classificados de acordo com os tipos de sinal de controle e os diferentes tipos de energia usados para transmitir os sinais, como digital direto, pneumático, elétrico e eletrônico (MILLER; MILLER, 2014).

4.3.1 Analógico e Digital

Existem dois tipos de sinais de controle: analógico e digital. Um sinal analógico está na forma de uma variável contínua. Frequentemente, usa a magnitude da voltagem elétrica ou pressão pneumática para representar a temperatura do ar. Um sinal digital é uma série de pulsos ligados e desligados que são usados para transmitir informações (MILLER; MILLER, 2014).


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Um controlador analógico convencional recebe um sinal analógico contínuo, como uma tensão ou um sinal pneumático, que é proporcional à magnitude da variável detectada. O controlador compara o sinal recebido do sensor com o valor desejado (ou seja, o ponto de ajuste) e envia um sinal para o atuador em proporção à diferença entre o valor detectado e o ponto de ajuste.

Um controlador digital, ou controlador baseado em microprocessador, recebe um sinal elétrico do(s) sensor(es). Ele converte o sinal elétrico em pulsos digitais de diferentes intervalos de tempo para representar os valores dos sinais. O microprocessador do controlador digital realiza as operações matemáticas e o processamento do conhecimento sobre esses valores. A saída do microprocessador pode ser na forma digital para acionar relés (dispositivo interruptor eletromecânico) ou convertida em um sinal analógico para operar o(s) atuador (es) (WANG, 2000).

4.3.2 Controle Digital Direto (DDC)

Um sistema de controle usando DDC envolve a adoção de um controlador digital baseado em microprocessador para realizar operações matemáticas e processamento de conhecimento de acordo com os algoritmos de controle ou programas de computador predeterminados (MILLER; MILLER, 2014).

O elemento chave do DDC em comparação com o controle analógico é o software e o hardware contidos no controlador digital direto, que expande tremendamente as funções de controle e adota a lógica de controle desenvolvida recentemente (MILLER; MILLER, 2014).

4.3.3 Controle Pneumático

Em um sistema de controle com controle pneumático, o ar comprimido é usado para operar os sensores, controladores e atuadores, e para transmitir os sinais. Consiste em um sistema de abastecimento e distribuição de ar comprimido, sensores, controladores e atuadores (WANG, 2000).

A Figura 4, a seguir, mostra um sistema de controle pneumático típico.


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FIGURA 4 – SISTEMA DE CONTROLE PNEUMÁTICO TÍPICO


Na Figura 4, um filtro é usado para remover as partículas de poeira, incluindo partículas submicrométricas, contidas no ar. A função da válvula redutora de pressão é reduzir a pressão do ar comprimido descarregado do compressor de ar para o valor necessário na linha de alimentação principal (WANG, 2000).

As vantagens do controle pneumático são (WANG, 2000):

• O próprio ar comprimido é inerentemente um sinal de controle proporcional. • O custo dos atuadores modulantes é baixo, especialmente para grandes

válvulas e dampers.• Os controles pneumáticos requerem menos manutenção e têm menos

problemas.• Os controles pneumáticos são à prova de explosão.

As desvantagens decorrem principalmente do alto custo de controladores pneumáticos sofisticados e o custo inicial comparativamente mais alto de um fornecimento de ar comprimido limpo e seco para pequenos projetos (WANG, 2000).


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4.3.4 Controle Elétrico e Eletrônico

Controle elétrico e controle eletrônico usam energia elétrica como fonte de energia para os sensores e controladores. Um sistema de controle usando controle elétrico geralmente oferece controle liga-desliga de duas posições. Chaves, relés, contatores e dispositivos eletromecânicos são componentes de sistema para sistemas de controle elétrico. Geralmente são usados para sistemas de controle de baixo custo, pequenos e mais simples (WANG, 2000).

Além das chaves e relés, um sistema de controle usando controle eletrônico tem transistores, diodos, capacitores e placas de circuito impresso como componentes do sistema. Os sistemas de controle eletrônico sempre têm sensores mais precisos e controladores de estado sólido com funções sofisticadas e podem ser facilmente conectados ao sistema de automação predial (WANG, 2000).

O controle eletrônico tem uma resposta mais rápida e um processamento de dados mais preciso do que os sistemas de controle elétrico. Os sistemas de controle eletrônico custam mais e precisam de pessoas qualificadas para manutenção e solução de problemas (WANG, 2000).

5 SENSORES, TRANSDUTORES E CONTROLADORES

Um sensor é um dispositivo que atua como um componente em um sistema de controle para detectar e medir a variável controlada e enviar um sinal para o controlador. A Figura 5 mostra um sensor de temperatura (WANG, 2000).


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FIGURA 5 – SENSOR DE TEMPERATURA


O termo elemento sensor geralmente se refere à parte do sensor que realmente detecta a variável controlada. Em sistemas AVAC-R, os sensores mais amplamente usados são sensores de temperatura, sensores de umidade, sensores de pressão e sensores de fluxo (WANG, 2000).

Um transdutor é um dispositivo que converte energia de uma forma para outra ou amplifica um sinal de entrada ou saída. Em sistemas de controle de AVAC-R, um transdutor pode ser usado para converter um sinal elétrico em um sinal pneumático, por exemplo (MILLER; MILLER, 2014).

Um controlador recebe entrada do sensor, compara com o ponto de ajuste ou implementação com base em seu software de computador armazenado, envia uma saída ou modula o dispositivo de controle para manter um ambiente interno desejável. Um termostato é uma combinação de um sensor de temperatura e um controlador de temperatura, enquanto um umidistato é uma combinação de um sensor de umidade e um controlador de umidade (WANG, 2000).


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6 VÁLVULAS DE CONTROLE DE ÁGUA E ATUADORES DE VÁLVULAS

As válvulas de água são usadas para regular ou interromper o fluxo de água em uma tubulação manualmente ou por meio de sistemas de controle automático. Válvulas de controle de água adotadas em sistemas de água podem modular as vazões de água por meio de sistemas de controle automático (WANG, 2000).

Um atuador, às vezes chamado de operador, é um dispositivo que recebe um sinal de controle analógico elétrico ou pneumático do controlador, diretamente ou por meio de um conversor digital para analógico. Ele então fecha ou abre uma válvula ou damper, modulando a planta de processo associada e faz com que a variável controlada mude em direção ao seu ponto de ajuste. Atuadores de válvula são utilizados para posicionar válvulas de controle. Podem ser dos tipos solenoides, elétricos ou pneumáticos (WANG, 2000).

121


• O ar condicionado é um equipamento que fornece aquecimento ou resfriamento ao ambiente, a partir do condicionamento do ar, transporte e introdução deste ar no espaço condicionado.

• Outras funções do ar condicionado são manter e controlar a temperatura, movimento do ar, umidade, limpeza do ar, entre outros, de modo a fornecer conforto e saúde para as pessoas que estão no ambiente, ou para fins de processamento do produto.

• Sistemas de ar condicionado hidrônico são conhecidos como sistemas de ar condicionado central, e neste caso, o ar é resfriado ou aquecido por meio de serpentinas preenchidas com água resfriada ou água quente.

• Para o desenvolvimento de um grande sistema de ar condicionado, deve-se seguir etapas básicas, como o projeto, a construção, o comissionamento, a operação, a atualização da eficiência energética e a manutenção.

• Um sistema de controle automático de ar condicionado modula a capacidade do equipamento de manter parâmetros predeterminados dentro de uma carcaça ou para o fluido que entra ou sai do equipamento para atender à carga e às mudanças climáticas com energia ideal de consumo e operação segura.

• As variáveis controladas de um sistema de ar condicionado podem ser a temperatura, a umidade relativa, a pressão, entalpia, fluxo de fluido e a concentração de contaminante.

• Um sistema de controle é um dos fatores decisivos para um sistema de ar condicionado atingir seu objetivo, que é controlar efetivamente os parâmetros ambientais internos, ser eficiente em termos de energia e fornecer mais segurança e proteção.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Ar condicionado é um equipamento destinado a climatizar o ar em um ambiente fechado, mantendo sua temperatura e umidade do ar controladas. As afirmativas abaixo se referem aos conceitos dos sistemas de ar condicionado:

I- Um sistema de ar condicionado desempenha funções como: fornecimento de energia de resfriamento e aquecimento, condicionamento do ar fornecido, distribuição de ar condicionado para o espaço condicionado e controle dos parâmetros ambientais internos.

II- Os sistemas de ar condicionado podem ser classificados de acordo com suas aplicações como sistemas de ar condicionado de conforto e sistemas de ar condicionado de processo.

III- Os sistemas de ar condicionado de conforto têm como objetivo proporcionar o controle ambiental interno dentro dos padrões de necessidades de processo.

IV- Os sistemas de ar condicionado de processo fornecem o controle ambiental interno necessário para a fabricação, armazenamento de produtos, processos de pesquisa e desenvolvimento e até na indústria farmacêutica.

V- Sistemas de ar condicionado de processo proporcionam o controle ambiental interno dentro dos padrões de necessidades humanas.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I, II e III.b) ( ) Apenas I, II e IV.c) ( ) Apenas I e II.d) ( ) Apenas III e V.e) ( ) Todas estão corretas.

2 As instalações de ar condicionado geram grande preocupação devido à grande dimensão física que seus componentes ocupam dentro da área do empreendimento, aliado às condições específicas de acomodação dos mesmos. Com relação ao desenvolvimento de um projeto de ar condicionado, considere as afirmativas a seguir:

I- Existem dois tipos de desenvolvimento de projeto: licitação de design e design-construção.

II- Um projeto design-construção pode existir quando o projeto é muito pequeno para reter um consultor de engenharia ou quando o tempo não é suficiente para passar pelos procedimentos normais de licitação do projeto.

III- O objetivo das etapas de desenvolvimento do projeto é fornecer um sistema de ar condicionado que seja mais ecologicamente correto, com eficiência energética e custo-benefício, de forma a controlar eficazmente os parâmetros ambientais internos.

AUTOATIVIDADE

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IV- Manter a temperatura e a umidade dentro dos limites exigidos e fornecer uma quantidade adequada de ventilação externa são pontos importantes que devem ser verificados durante o projeto.

V- Assim como na fabricação de produtos que apresentam modelos e protótipos, todos os defeitos e erros de um sistema de ar condicionado podem ser verificados e corrigidos durante seus testes individuais.

Assinale as alternativas CORRETAS:a) ( ) Apenas I, II e III.b) ( ) Apenas I, II e IV.c) ( ) Apenas I, II, III e IV.d) ( ) Apenas I está correta.e) ( ) Todas estão corretas.

3 Os métodos de controle dos sistemas de ar condicionado podem ser classificados de acordo com os tipos de sinal de controle e os diferentes tipos de energia usados para transmitir os sinais. Com relação aos métodos de controle, considere as afirmativas a seguir:

I- Um sinal analógico é uma série de pulsos ligados e desligados que são usados para transmitir informações.

II- Um sistema de controle usando controle digital direto (DDC) envolve a adoção de um controlador digital baseado em microprocessador para realizar operações matemáticas e processamento de conhecimento de acordo com os algoritmos de controle ou programas de computados predeterminados

III- Um sinal digital está na forma de uma variável contínua, e frequentemente usa a magnitude da voltagem elétrica ou pressão pneumática para representar a temperatura do ar.

IV- Em um sistema de controle pneumático, o ar comprimido é usado para operar os sensores, controladores e atuadores e para transmitir os sinais.

V- Controle elétrico e controle eletrônico usam energia elétrica como fonte de energia para os sensores e controladores.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas II e III.b) ( ) Apenas I e IV.c) ( ) Apenas II, IV e V.d) ( ) Apenas I e II e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

4 Um sistema de ar condicionado é composto por equipamentos e componentes dispostos em sequência, de forma a desempenhar funções como fornecer a energia de resfriamento e aquecimento necessária, condicionar o ar fornecido (aquecer ou resfriar, umidificar ou desumidificar, limpar e purificar, e atenuar qualquer ruído desagradável produzido pelo equipamento), distribuir o ar condicionado para o espaço condicionado, controlar e manter os parâmetros ambientais internos. Cite as diferenças entre os sistemas de ar condicionado de conforto e sistemas de ar condicionado de processo.

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5 Em um sistema de ar condicionado, existem vários componentes, sendo cada um com uma função específica. Com relação aos dispositivos dos sistemas de controle de sistemas de ar condicionado, explique sucintamente sobre sensores e transdutores.

125

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Um ventilador é o principal motor de um sistema de ar ou sistema de ventilação. Ele move o ar e fornece fluxo de ar contínuo para que o ar condicionado, o ar espacial, o ar de exaustão ou o ar externo possam ser transportados de um local para outro através de dutos de ar ou outras passagens de ar (WANG, 2000).

Prezado acadêmico, veremos no tópico 2 desta unidade as funções e os tipos principais de ventiladores usados em sistemas de ar condicionado e ventilação. Estudaremos as curvas de desempenho dos ventiladores com relação à potência, eficiência, volume e pressão.

Neste tópico vamos estudar sobre os ventiladores, que são um dos principais componentes dos sistemas de ar, de modo a desenvolver um maior entendimento sobre a realidade de funcionamento da refrigeração industrial, ar condicionado e ventilação.

TÓPICO 2 —

SISTEMAS DE AR: VENTILADORES

2 VENTILADOR

2.1 FUNÇÕES E TIPOS DE VENTILADORES

Um ventilador também é uma turbomáquina na qual o ar é geralmente comprimido a uma razão de compressão Rcom não superior a 1,07. A razão de compressão, adimensional, é definida através da Equação 1 (WANG, 2000):

Equação 1

Onde pdis refere-se à pressão de descarga na saída do compressor ou ventilador, e psuc refere-se à pressão de sucção na entrada do compressor ou ventilador.

126


Um soprador é geralmente um rotor de múltiplas lâminas fechado que comprime o ar a uma pressão de descarga mais alta. Não existe uma distinção clara entre um ventilador e um soprador. Tradicionalmente, os sopradores não descarregam o ar em baixa pressão como alguns ventiladores fazem (WANG, 2000).

NOTA

Um ventilador é acionado por um motor diretamente (acionamento direto) ou por meio de correias e polias (acionamento por correia). Alguns grandes ventiladores industriais em usinas de energia são movidos por turbinas a vapor ou a gás (MILLER; MILLER, 2014).

Dois tipos de ventiladores são amplamente usados em sistemas de ar condicionado e ventilação: ventiladores centrífugos (Figura 6 a) e ventiladores axiais (Figura 6 b) (WANG, 2000).

FIGURA 6 – TIPOS DE VENTILADORES: A) CENTRÍFUGOS E B) AXIAIS


TÓPICO 2 — SISTEMAS DE AR: VENTILADORES

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Os ventiladores podem ser montados individualmente como equipamento de ventilação para fornecer ar externo ou o movimento de ar dentro de um edifício. Podem também transportar ar contendo partículas de poeira ou material de um lugar para outro, por meio de sistemas de dutos de ar. Em sistemas de ar condicionado, os ventiladores são frequentemente instalados em unidades de tratamento de ar ou outros equipamentos de ar condicionado (WANG, 2000).

Em ventiladores centrífugos e ventiladores axiais, o aumento da pressão estática do ar é criado pela conversão da pressão de velocidade em pressão estática. Nos ventiladores centrífugos, o ar é descarregado radialmente do impulsor, também conhecido como roda do ventilador (o ar gira 90° de sua entrada à saída). Em um ventilador axial, a direção do fluxo de ar é paralela ao eixo do ventilador (WANG, 2000).

Ventiladores de fluxo cruzado forçam o fluxo de ar por meio de um rotor longo com muitas palhetas, como mostrado na Figura 7. Este tipo de ventilador tem aplicação limitada em pequenos equipamentos de ar condicionado porque é menos eficiente e tem um nível de ruído mais alto do que os ventiladores centrífugos (WANG, 2000).

FIGURA 7 – VENTILADOR DE FLUXO CRUZADO


2.2 CAPACIDADE DO VENTILADOR OU TAXA DE FLUXO DE VOLUME

A capacidade do ventilador, ou vazão volumétrica do ventilador, é definida como a vazão volumétrica medida na entrada do ventilador, correspondendo a uma determinada pressão total do ventilador. De acordo com o padrão de teste Air Movement and Control Association (AMCA) Standard 210-85 e ASHRAE Standard 51-1985, é geralmente determinado pelo produto da velocidade do duto e a área do duto conectada à entrada do ventilador (WANG, 2000).

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A vazão volumétrica do ventilador é independente da densidade do ar. No entanto, a pressão total do ventilador é afetada pela densidade do ar (WANG, 2000).

2.3 AUMENTO DA TEMPERATURA DO AR EM UM VENTILADOR

O aumento da temperatura do ar em um ventilador quando o ar flui por ele é causado pelo processo de compressão e perdas de energia que ocorrem dentro do ventilador. Quando o ar flui através do duto de ar, acessórios do duto e pelo equipamento, a perda de fricção do duto e as perdas dinâmicas causam um aumento de temperatura conforme a energia mecânica é convertida em energia térmica (MILLER; MILLER, 2014).

Esse aumento de temperatura no duto de ar, no entanto, é compensado por uma queda de temperatura causada pela expansão do ar devido à redução da pressão estática ao longo do fluxo de ar. Portanto, é mais conveniente assumir que o aumento da temperatura do ar ocorre por causa do atrito e das perdas dinâmicas ao longo do fluxo de ar apenas quando o ar está fluindo através do ventilador (MILLER; MILLER, 2014).

2.4 CURVAS DE DESEMPENHO DO VENTILADOR

As características do ventilador podem ser descritas por certos parâmetros inter-relacionados, como taxa de fluxo de volume, pressão, potência e eficiência. Essas características são representadas graficamente pelas curvas de desempenho do ventilador na Figura 8. As curvas características do ventilador geralmente definem a taxa de fluxo de volume como a abcissa e pressão total do ventilador, pressão estática do ventilador, entrada de energia do ventilador ou eficiência total do ventilador como ordenada (WANG, 2000).


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FIGURA 8 – CURVAS DE DESEMPENHO DO VENTILADOR


Na Figura 8, existem três curvas características de fluxo de pressão-volume:

I- Fluxo total de pressão-volume ;II- Fluxo de pressão-volume estático ;III- Fluxo de pressão-volume de velocidade .

O ponto onde a curva ou cruza com as ordenadas é chamado de ponto de fechamento. Neste ponto, a taxa de fluxo de volume é fechada. Além disso, a pressão estática é igual à pressão total neste ponto.

A taxa de fluxo de volume no ponto de intersecção entre as curvas e ou entre a curva e o eixo x é chamada de free delivery ou taxa de fluxo de volume totalmente aberta. No ponto de free delivery, , e eficiência estática do ventilador ηs = 0.

Na Figura 8, as outras curvas mostradas são a curva de eficiência total do ventilador , a curva de eficiência estática do ventilador e a curva de entrada de potência do ventilador . As curvas de eficiência mostram que no ponto de fechamento, ηt e ηs são zero, e na free delivery ηs é novamente zero. É importante que o ventilador seja operado próximo à eficiência máxima, tanto quanto possível. Devido ao atrito e perdas dinâmicas, a entrada de energia do ventilador no ponto de desligamento não é igual a zero (WANG, 2000).

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3 VENTILADORES CENTRÍFUGOS

Quando o ar flui através do rotor de um ventilador centrífugo, seu aumento de pressão total está intimamente relacionado às velocidades periféricas do rotor, bem como ao componente tangencial das velocidades periféricas que entram e saem do rotor (MILLER; MILLER, 2014).

Com base na forma da lâmina e na direção do ar descarregado do impulsor, os ventiladores centrífugos podem ser categorizados como curvados para trás, de lâmina radial, curvados para frente, tubulares ou em linha, plenum e de teto (WANG, 2000).

3.1 VENTILADORES CURVADOS PARA TRÁS

Em um ventilador centrífugo curvado para trás, ou inclinado para trás, a ponta da lâmina inclina-se para longe da direção de rotação do impulsor. O impulsor de um ventilador centrífugo curvado para trás geralmente consiste de 8 a 16 pás. Para maior eficiência, o formato das lâminas é frequentemente simplificado para fornecer separação de fluxo mínima e, portanto, perdas mínimas de energia (WANG, 2000).

Apresentam baixo nível de ruído, com movimentações de médio a elevados volumes de ar e com alta eficiência energética. São utilizados em situações onde há grandes variações de fluxo de ar, como em sistemas de aeração (WANG, 2000).

Ventiladores centrífugos curvados para trás com tais pás são chamados de ventiladores de aerofólio, como distinto dos ventiladores com lâminas de metal. As lâminas em um ventilador curvado para trás são sempre mais longas do que as de um ventilador curvado para frente. Uma carcaça em espiral é usada. Esta forma converte parte da pressão de velocidade em pressão estática na saída do ventilador (WANG, 2000).

Quando o ar flui através do ventilador centrífugo, ele encontra as seguintes perdas de energia:

• Fluxo circulatório entre as lâminas.• Vazamento de ar na entrada.• Fricção entre as partículas de fluido e a lâmina.• Passagem parcialmente preenchida.

Essas perdas de energia mudam a forma da curva. A curva de desempenho real de um ventilador centrífugo curvado para trás é uma curva côncava declinando para o lado direito, como mostrado na Figura 9 (WANG, 2000).


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FIGURA 9 – CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DE UM VENTILADOR CENTRÍFUGO CURVADO PARA TRÁS


Pode-se observar que a pressão máxima total é um pouco maior do que na condição de desligamento. Depois de atingir o Δpt máximo, ele cai drasticamente à medida que a taxa de fluxo de volume aumenta (WANG, 2000).

A eficiência total do ventilador versus curvas de fluxo de volume para ventiladores centrífugos curvos para trás são côncavas. Todos têm ηt = 0 na condição de bloqueio fechado como . Eles também têm uma eficiência máxima entre 50 e 65 % do fluxo de volume totalmente aberto, conforme mostrado na Figura 10. Entre essas curvas , o ventilador centrífugo curvado para trás da lâmina do aerofólio tem a maior eficiência total do ventilador (WANG, 2000).

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FIGURA 10 – CURVAS DE DESEMPENHO DE EFICIÊNCIA TOTAL X VOLUME PARA VENTILADORES CENTRÍFUGOS


A Figura 11 mostra as curvas de fluxo de potência x volume do ventilador para ventiladores centrífugos usando impulsores do mesmo tamanho (WANG, 2000).

FIGURA 11 – CURVAS DE DESEMPENHO DE POTÊNCIA X VOLUME PARA VENTILADORES CENTRÍFUGOS COM IMPULSORES DOS MESMOS DIÂMETROS



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Os ventiladores centrífugos precisam da quantidade mínima de energia na condição de bloqueio. Esta entrada de energia é usada para compensar as perdas aerodinâmicas e mecânicas, mesmo quando o fluxo de volume é zero. Para ventiladores centrífugos curvados para trás, a potência do ventilador P tende a aumentar inicialmente à medida que a taxa de fluxo de volume aumenta. Então, P atinge um ponto máximo, após o qual P diminui à medida que a taxa de fluxo de volume é aumentada. A curva de um ventilador centrífugo curvado para trás tem um formato semelhante ao da curva (WANG, 2000).

Se o tamanho do motor do ventilador for avaliado em ou próximo da maior eficiência total do ventilador, a potência necessária é geralmente próxima do valor máximo e o motor não precisa de mais potência do ventilador na mesma velocidade e densidade do que em quaisquer outras condições operacionais. Essa curva é chamada de curva de não sobrecarga.

3.2 VENTILADORES DE LÂMINA RADIAL

As lâminas em um ventilador centrífugo de lâmina radial são retas ou curvas na entrada da lâmina. A ponta da lâmina ou a saída da lâmina é sempre radial. Normalmente, existem 6 a 10 lâminas em um impulsor de lâmina radial. A construção das lâminas radiais é comparativamente simples (WANG, 2000).

A Figura 12 mostra as curvas para ventiladores centrífugos com rotores de mesmo diâmetro.

FIGURA 12 – CURVAS DE DESEMPENHO DE PRESSÃO X VOLUME PARA VENTILADORES CENTRÍFUGOS COM O MESMO DIÂMETRO DE ROTOR


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A curva de um ventilador centrífugo de lâmina radial é geralmente mais íngreme do que a de um ventilador curvado para trás, com um Δpt mais alto e um menor . A eficiência total da ventoinha de uma ventoinha de pás radiais é menor do que a de uma ventoinha curvada para trás. Além disso, a entrada de energia do ventilador sempre aumenta à medida que o fluxo de volume aumenta. Essa curva de sobrecarga indica que o motor pode estar sobrecarregado (WANG, 2000).

O ventilador centrífugo de lâmina radial é frequentemente usado em aplicações industriais para transportar partículas ou produtos porque os espaços entre as lâminas não são facilmente obstruídos.

3.3 VENTILADORES CURVADOS PARA FRENTE

Em um ventilador centrífugo curvado para frente, a ponta da lâmina se inclina na direção de rotação do impulsor. Por causa de uma maior velocidade absoluta na saída da lâmina, as lâminas são mais curtas e a velocidade necessária para produzir uma pressão total de ventilador específica e taxa de fluxo de volume é muito menor do que para um ventilador centrífugo curvado para trás. O impulsor geralmente tem 24 a 64 pás (WANG, 2000).

Se os diâmetros dos impulsores de um ventilador curvado para frente e um ventilador curvado para trás são os mesmos, então a curva do ventilador centrífugo curvado para frente é mais plana do que a dos ventiladores curvados para trás, como mostrado na Figura 12. Os ventiladores curvos para frente têm uma eficiência total de ventilador menor do que os ventiladores curvos para trás, e a eficiência máxima do ventilador curvado para frente ocorre entre 40 e 50 % do fluxo de volume aberto (WANG, 2000).

A curva de potência do ventilador curvada para frente tende a se curvar para cima de forma mais abrupta do que a de outros ventiladores centrífugos, como mostrado na Figura 11. Portanto, o motor do ventilador de curva direta pode estar sobrecarregado quando a taxa de fluxo de volume for maior do que o valor nominal (WANG, 2000).

Os ventiladores curvos para frente são os ventiladores centrífugos mais compactos disponíveis em termos de vazão volumétrica entregue por unidade de espaço ocupado. Eles também são menos estáveis. Para a roda de ventilador do mesmo tamanho, os ventiladores curvos para frente têm uma entrada maior do que os ventiladores curvos para trás (WANG, 2000).


135

3.4 VENTILADORES TUBULARES OU EM LINHA

Um ventilador tubular ou centrífugo em linha geralmente consiste em um impulsor com pás de aerofólio, um cone interno, um conjunto de palhetas fixas e uma carcaça cilíndrica, como mostrado na Figura 13 (WANG, 2000).

FIGURA 13 – VENTILADOR CENTRÍFUGO TUBULAR


O ar entra no ventilador tubular na entrada e, em seguida, flui através das passagens das pás do impulsor. É descarregado radialmente contra a superfície interna da carcaça cilíndrica e é então desviado em uma direção paralela ao eixo do ventilador, a fim de produzir um fluxo direto. O impulsor de um ventilador centrífugo tubular pode ter 6 a 12 pás. Aletas fixas são usadas para converter a pressão de velocidade em pressão estática para evitar redemoinhos e endireitar o fluxo de ar (WANG, 2000).

Na Figura 13, pode ser visto que a curva para um ventilador centrífugo tubular é semelhante à de um ventilador curvado para trás. Por causa do giro de 90 ° do fluxo de ar após o impulsor, a pressão total e a eficiência total são menores do que as de um ventilador com curvatura para trás, e o nível de potência sonora é maior. A curva de potência do ventilador desse tipo de ventilador também é uma curva de não sobrecarga. A principal vantagem do ventilador tubular é seu fluxo de ar direto (WANG, 2000).

136


3.5 VENTILADORES PLENUM

Ventiladores plenum são ventiladores centrífugos sem revestimento externo. O impulsor é montado em um plenum com flexibilidade de localização da saída de descarga. São mais simples na construção e podem ser conectados a um sistema de ar onde um plenum pode ser usado como carcaça externa do rotor, e as duas extremidades do plenum usadas como entrada e saída do ventilador (WANG, 2000).

Ventiladores plenum com impulsores curvos para trás podem exigir mais energia do que ventiladores centrífugos com carcaça externa (a eficiência total do ventilador é geralmente entre 58 e 63 %) (WANG, 2000).

3.6 VENTILADORES CENTRÍFUGOS DE TETO

Ventiladores centrífugos de teto são frequentemente montados em um teto para exaurir o ar de um espaço ventilado, conforme mostrado na Figura 14 (WANG, 2000):

FIGURA 14 – VENTILADOR CENTRÍFUGO DE TETO



137

Os ventiladores de teto também podem ser usados como dispositivos de entrada para puxar o ar externo através do teto. Na Figura 14, o ar é extraído do espaço ventilado e entra no cone de entrada diretamente ou através de um duto de conexão. Depois de fluir através de um impulsor centrífugo curvado para trás, o ar é descarregado radialmente contra a superfície interna da capota. As lâminas de metal ou aerofólio do ventilador centrífugo de teto são feitas de liga de alumínio, aço inoxidável ou aço estrutural bem protegido para fornecer boa resistência à corrosão (WANG, 2000).

O ventilador centrífugo de teto geralmente opera com uma pressão total baixa e uma grande taxa de fluxo de volume, conforme ilustrado por uma curva

inclinada para baixo, conforme mostrado na Figura 12. A curva de potência é uma curva sem sobrecarga (WANG, 2000).

3.7 VENTILADORES AXIAIS

Para um ventilador axial, um parâmetro denominado razão do cubo está intimamente relacionado às suas características. A razão do cubo é definida como a razão do diâmetro do cubo Dhub para o diâmetro ponta a ponta da lâmina ou diâmetro do impulsor Dbt, conforme Equação 2 (WANG, 2000):

Equação 2

Quanto maior a relação do cubo, maior será a conversão da pressão de velocidade em pressão estática, devido à maior diferença das áreas. A capacidade e a pressão total dos ventiladores axiais podem ser aumentadas pelo aumento da sua velocidade de rotação ou pelo ajuste do ângulo de inclinação da pá para um valor mais alto. Esta característica é importante para ventiladores axiais acionados diretamente por motor, sem correias (WANG, 2000).

Os ventiladores axiais podem ser subdivididos nos três tipos a seguir:

3.7.1 Ventiladores propulsores ou de hélice

Em um ventilador propulsor, um impulsor com 3 a 6 pás é montado dentro de um anel circular ou uma placa de orifício, como mostrado na Figura 15 (WANG, 2000):

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FIGURA 15 – VENTILADOR PROPULSOR


As lâminas são geralmente feitas de aço ou plástico moldado e às vezes podem aumentar de largura na ponta da lâmina. Se o impulsor for montado dentro de uma placa de orifício, a direção do fluxo de ar na ponta da lâmina não será paralela ao eixo. Nas pontas das lâminas, podem ser formados redemoinhos. Ventiladores propulsores são normalmente operados com pressão estática muito baixa com grande fluxo de volume. Geralmente têm uma proporção de cubo Rhub de 0,15 (WANG, 2000).

Um ventilador axial propulsor é o mais utilizado, sendo usado na circulação de ar ambiente, movendo grandes volumes de ar a baixa pressão estática.

3.7.2 Ventiladores de tubo axial

O impulsor de um ventilador axial de tubo geralmente tem 6 a 9 pás, e é mostrado na Figura 16, a seguir. É montado dentro de uma caixa cilíndrica, e as lâminas podem ser de aerofólio ou chapa curva (WANG, 2000).

FIGURA 16 – VENTILADOR DE TUBO AXIAL



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As lâminas do aerofólio são geralmente feitas de alumínio fundido ou liga de alumínio. A proporção do cubo Rhub é geralmente inferior a 0,3, e a folga entre a ponta da lâmina e a carcaça é significativamente menor do que em ventiladores propulsores (WANG, 2000).

Em alguns ventiladores axiais de tubo, o ângulo da lâmina pode ser ajustado manualmente quando o ventilador não está em operação. Assim, o fluxo de volume e a pressão total do ventilador podem ser ajustados para ventiladores axiais de tubo acionados diretamente pelo motor. Ventiladores tubo-axial tem como características mover médios volumes de ar a baixa pressão estática (WANG, 2000).

3.7.3 Ventilador axial de palheta

O impulsor de um ventilador axial de palheta tem de 8 a 16 pás, geralmente pás de aerofólio, conforme Figura 17 (WANG, 2000):

FIGURA 17 – VENTILADOR DE PALHETA


A relação do cubo é geralmente igual ou superior a 0,3 para aumentar a pressão total do ventilador. Outra característica importante dos ventiladores axiais de palhetas é a instalação de palhetas-guia fixas. Essas palhetas curvas são projetadas para remover redemoinhos do ar, endireitar o fluxo de ar e converter uma parte da pressão de velocidade do fluxo de ar em rotação em pressão estática. O passo automaticamente controlável (ângulo da lâmina) para o sistema de volume de ar variável é uma das características dos ventiladores axiais de palheta (WANG, 2000).

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3.8 CURVAS DE DESEMPENHO

A Figura 18 mostra as curvas de pressão x volume para vários tipos de ventiladores axiais com impulsores do mesmo diâmetro. Entre esses ventiladores, o ventilador de hélice tem uma pressão total de ventilador baixa Δpt e uma vazão de alto volume , enquanto o ventilador axial de palheta tem o Δpt mais alto (WANG, 2000).

FIGURA 18 – CURVAS DE DESEMPENHO DE PRESSÃO X VOLUME ( ) PARA VENTILADO-RES AXIAIS COM O MESMO DIÂMETRO DO IMPULSOR


A Figura 19 mostra as curvas de eficiência total para ventiladores axiais de mesmo diâmetro (WANG, 2000).

FIGURA 19 – CURVAS DE DESEMPENHO DE EFICIÊNCIA TOTAL X VOLUME ( ) PARA VENTILADORES AXIAIS



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Devido à instalação das lâminas do aerofólio e das palhetas-guia, os ventiladores axiais de palhetas têm o maior ηt de todos os ventiladores axiais. Um ventilador axial de palheta bem projetado pode ter o mesmo ou ainda maior ηt máximo que um ventilador centrífugo de aerofólio curvado para trás. Em um ventilador axial de palheta, é importante usar sua pressão de velocidade, ou convertê-la em pressão estática por meio de um difusor. Ventiladores axiais de tubo têm ηt inferior. Os ventiladores de hélice apresentam o menor ηt, variando entre 0,4 e 0,55, devido à sua construção simples (WANG, 2000).

A Figura 20 mostra as curvas de potência do ventilador para ventiladores axiais (WANG, 2000).

FIGURA 20 – CURVAS DE DESEMPENHO DE POTÊNCIA X VOLUME ( ) PARA VENTILADO-RES AXIAIS COM IMPULSORES DOS MESMOS DIÂMETROS

FONTE: Adaptado de WANG, 2000, p.690

É importante ver que todos os ventiladores axiais têm sua entrada de potência máxima do ventilador na condição de fechamento ou bloqueio hermético. Nesse aspecto, eles são bastantes diferentes dos ventiladores centrífugos, que têm uma alta entrada de potência do ventilador em grandes vazões volumétricas, conforme visualizado na Figura 11 (WANG, 2000).

Para os ventiladores axiais, quanto maior a vazão volumétrica, menor é o P, exceto nos ventiladores axiais de palhetas. Como as curvas para ventiladores axiais de palheta e axiais de tubo são quase paralelas às curvas na faixa de operação, elas são curvas de não sobrecarga. Os motores não precisam ser dimensionados de acordo com a entrada de potência máxima do ventilador, desde que os ventiladores axiais não operem na condição de desligamento (WANG, 2000).

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RESUMO DO TÓPICO 2


• O principal motor de um sistema de ar ou sistema de ventilação é um ventilador.

• Um ventilador move o ar e fornece o fluxo de ar contínuo para que o ar condicionado, o ar espacial, o ar de exaustão ou o ar externo possam ser transportados de um local para outro através de dutos de ar ou outras passagens de ar.

• Um ventilador é acionado por um motor diretamente ou por meio de correias e polias. Alguns são movidos por turbinas a vapor ou a gás.

• Dois tipos de ventiladores são amplamente usados em sistemas de ar condicionado e ventilação: ventiladores centrífugos e ventiladores axiais.

• Em ventiladores centrífugos e axiais, o aumento da pressão estática do ar é criado pela conversão da pressão de velocidade em pressão estática.

• O aumento da temperatura do ar em um ventilador quando o ar flui por ele é causado pelo processo de compressão e perdas de energia que ocorrem dentro do ventilador.

• As características do ventilador podem ser descritas por parâmetros como vazão volumétrica, pressão, potência e eficiência, e essas características são representadas graficamente por curvas de desempenho do ventilador.

• Com base na forma da lâmina e na direção do ar descarregado do impulsor, os ventiladores centrífugos podem ser caracterizados como ventiladores curvados para trás, de lâmina radial, curvados para frente, tubulares ou em linha, plenum e de teto.

• Ventiladores axiais podem ser caracterizados em ventiladores de hélice, tubo axial e axial de palheta.

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1 Um ventilador é um dispositivo mecânico e é o principal motor de um sistema de ar ou sistema de ventilação. Com relação ao conceito de ventiladores, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) Em um ventilador, o ar é expandido a uma razão de expansão Rexp, definida como a razão da pressão de descarga na saída do compressor ou ventilador e a pressão de sucção na entrada do compressor ou ventilador.

b) ( ) Um ventilador é acionado por um motor diretamente ou por meio de correias e polias.

c) ( ) Ventiladores centrífugos podem ser categorizados em ventiladores de hélice, tubo axial e axial de palheta.

d) ( ) Em ventiladores axiais e centrífugos, a diminuição da pressão estática do ar é criada pela conversão da pressão de velocidade em pressão estática.

2 Ventiladores centrífugos são um tipo de ventilador amplamente utilizado em sistemas de ar condicionado. Com base nos seus conhecimentos, considere as afirmativas a seguir:

I- A diminuição da pressão total quando o ar flui através do rotor de um ventilador está relacionada com as velocidades periféricas do rotor e a componente tangencial das velocidades periféricas que entram e saem do rotor.

II- Em um ventilador centrífugo curvado para trás ou inclinado para trás, a ponta da lâmina inclina-se para longe da direção de rotação do impulsor. O impulsor geralmente consiste de 8 a 16 pás.

III- Em um ventilador centrífugo de lâmina radial, as lâminas são retas ou curvas na entrada da lâmina. Normalmente o impulsor consiste de 10 a 14 lâminas.

I- Em um ventilador curvado para frente, a ponta da lâmina se inclina na direção de rotação do impulsor. As lâminas são mais curtas, e o impulsor tem geralmente de 24 a 64 pás.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I e III.b) ( ) Apenas I, II e IV.c) ( ) Apenas II e IV.d) ( ) Apenas III e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

AUTOATIVIDADE

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3 Ventiladores axiais apresentam maior fluxo de ar e menor capacidade de pressão quando comparado a ventiladores centrífugos. A partir do estudo de ventiladores axiais, assinale a alternativa CORRETA:

a) ( ) A razão do cubo é um parâmetro importante para o conceito de ventilador axial, e é definida como a razão do diâmetro do impulsor e do diâmetro do cubo.

b) ( ) Quanto maior a relação do cubo, menor será a conversão da pressão de velocidade em pressão estática, devido à maior diferença das áreas.

c) ( ) A capacidade e a pressão total dos ventiladores axiais podem ser aumentadas pelo aumento da velocidade de rotação, ou pelo ajuste do ângulo de inclinação da pá para um valor mais baixo.

d) ( ) O impulsor de um ventilador axial de tubo geralmente tem de 6 a 9 pás, e as lâminas podem ser de aerofólio ou chapa curva.

4 Um ventilador centrífugo consiste de um rotor que gira em alta rotação no interior de uma carcaça em formato espiral. Diferencie os tipos de ventiladores centrífugos detalhadamente.

5 Em ventiladores axiais, o ar entra e sai paralelamente ao eixo do rotor. Com base nos conhecimentos adquiridos sobre ventiladores, diferencie detalhadamente os tipos de ventiladores axiais.

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UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Os sistemas de ar condicionado ou AVAC-R são geralmente projetados, instalados e operados em diferentes tipos e configurações, com diferentes características do sistema para atender aos requisitos de projeto.

Como cada sistema de ar condicionado consiste em sistemas de ar, água, aquecimento e refrigeração, a classificação de sistemas de ar condicionado é frequentemente misturada com a classificação de sistemas de ar e água e sistemas de refrigeração. Se um projetista não puder classificar adequadamente um sistema de ar condicionado e distingui-lo de outros, será difícil para ele selecionar um sistema apropriado para o cliente.

Durante a classificação de sistemas de ar condicionado, os seguintes pontos devem ser considerados (WANG, 2000):

• A classificação de sistemas de ar condicionado, ou sistemas AVAC-R, deve incluir os aspectos primários dos sistemas de ar, sistemas de aquecimento e resfriamento, e como o sistema de ar afeta diretamente o controle do ambiente térmico interno e qualidade do ar interno.

• A classificação do sistema deve ser baseada principalmente em aplicações práticas. Por exemplo, como a qualidade do ar interno se torna um dos critérios primários usados para selecionar um sistema de ar condicionado, deve-se considerar se um “sistema de água total” sem fornecimento de ar de ventilação externo pode existir.

• A classificação do sistema deve ser simples e cada um dos sistemas de ar condicionado deve ser claramente diferente dos outros.

TÓPICO 3 —

SISTEMAS DE AR CONDICIONADO

2 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO INDIVIDUAIS

Um sistema de ar condicionado individual ou simplesmente um sistema individual usa um ar condicionado autônomo, feito de fábrica, para atender a um quarto individual. Está pronto para uso após conectar o cabo elétrico e a drenagem de água necessária. Os sistemas individuais sempre usam uma bobina de expansão direta (DX) para resfriar o ar diretamente. Os sistemas individuais podem ser subdivididos nos dois seguintes sistemas de condicionamento de ar (WANG, 2000):

146


• Sistemas de ar condicionado de sala.• Sistemas de ar condicionado de terminal compacto.

Os sistemas de ar condicionado individuais são normalmente usados em zonas de perímetro para a conveniência da entrada de ar de ventilação externa local.

Os sistemas de ar condicionado individuais têm as seguintes vantagens:

• Não há dutos de alimentação, retorno ou exaustão.• Os sistemas de ar condicionado individuais são os mais compactos e flexíveis,

e menor no custo inicial do que outros, exceto unidades de ar-condicionado portáteis.

• Espaço de construção é economizado para salas mecânicas e poços de dutos.• É mais fácil atender aos requisitos de uma zona de controle individual.• Eles são rápidos de instalar.

Os sistemas individuais têm as seguintes desvantagens:

• O controle de temperatura geralmente está ligado/desligado, resultando em oscilação de temperatura ambiente.

• Os filtros de ar são limitados a filtros grosseiros ou de baixa eficiência.• A entrada de ar da ventilação externa local é frequentemente afetada pela

velocidade e direção do vento.• O nível de ruído não é adequado para aplicações críticas.• É necessária uma manutenção de forma mais regular de bobinas e filtros do

que para sistemas compactos e centrais.

2.1 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO DE SALA

Aparelhos de ar-condicionado montados em janelas ou através da parede, bombas de calor para fornecer aquecimento no inverno e resfriamento no verão e condicionadores de ar split com uma unidade de condensação externa e um manipulador de ar interno, para maior flexibilidade na localização do manipulador de ar, bem como isolamento do ruído do compressor ao ar livre, são três tipos de equipamentos usados em sistemas de ar condicionado de sala (WANG, 2000).

Uma bomba de calor de ambiente tem uma configuração semelhante a um ar-condicionado de ambiente. O que muda é a adição de uma válvula de reversão de quatro vias na bomba de calor que muda o modo de resfriamento para o modo de aquecimento e vice-versa (WANG, 2000).

TÓPICO 3 — SISTEMAS DE AR CONDICIONADO

147

O aquecimento por resistência elétrica é frequentemente usado em bombas de calor internas para complementar o aquecimento de inverno quando o tempo externo está frio.

2.2 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO DE TERMINAL COMPACTO

Os condicionadores de ar de terminal compacto e as bombas de calor de terminal compacto são dois tipos principais de equipamentos usados em sistemas de ar condicionado de terminal embalados. As bombas de calor de terminal compactos adicionam uma válvula de reversão de quatro vias e fornecem aquecimento no inverno por meio da liberação do calor de condensação da bobina externa e do aquecedor elétrico complementar.

3 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E RESFRIADORES EVAPORATIVOS

O resfriamento evaporativo é um processo de condicionamento de ar que usa a evaporação da água líquida para resfriar a corrente de ar direta ou indiretamente, de modo que as temperaturas finais de bulbo seco ou úmido e seco da corrente de ar, sendo resfriado, sejam mais baixas do que antes de sofrer o processo evaporativo (WANG, 2000).

Um sistema de ar condicionado de resfriamento evaporativo, ou simplesmente sistema de resfriamento evaporativo, é um sistema de ar condicionado no qual mais de 50% do resfriamento total fornecido anualmente é resfriado por evaporação. Consiste principalmente em resfriadores evaporativos, ventiladores, bombas, filtros, dispositivos de recuperação de calor, trocadores de calor, uma caixa de mistura, amortecedores, controles e outros componentes (WANG, 2000).

NOTA

Um resfriador evaporativo é um equipamento no qual o processo de resfriamento evaporativo é utilizado. Existem três tipos de processos de resfriamento evaporativo: (1) resfriamento evaporativo direto, (2) resfriamento evaporativo indireto e (3) resfriamento evaporativo indireto-direto, conforme mostrado na Figura 1. O subtópico a seguir explica a diferença entre esses processos (WANG, 2000).

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FIGURA 21 – TIPOS DE PROCESSOS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO


(a) resfriamento evaporativo direto, (b) resfriamento evaporativo indireto e (c) resfriamento evaporativo indireto-direto.


149

4 REFRIGERAÇÃO EVAPORATIVA DIRETA E RESFRIADORES EVAPORATIVOS DIRETOS

4.1 PROCESSO DE REFRIGERAÇÃO EVAPORATIVA DIRETA

Em um processo de resfriamento evaporativo direto, o fluxo de ar a ser resfriado entra diretamente em contato com o meio úmido ou spray de água. O resfriador evaporativo direto no qual o processo de resfriamento evaporativo direto prossegue é mostrado na Figura 21 (a). O ar entra no resfriador evaporativo direto no ponto 1 e sai no ponto 2. A liberação do calor latente de evaporação da corrente de ar resfriada diretamente diminui a temperatura da corrente de ar e a taxa de umidade da corrente de ar aumenta por causa do vapor de água adicionado (WANG, 2000).

Em um processo de resfriamento evaporativo direto, a recirculação de água é geralmente usada para economizar água, o que geralmente é mais econômico. A temperatura da água de recirculação sempre se aproxima da temperatura de bulbo úmido do ar resfriado. Como o ar é pulverizado ou em contato com água imersa, o resfriamento evaporativo direto fornece um certo grau de purificação do ar. No entanto, se o ar resfriado contém uma grande quantidade de sujeira ou material particulado, um filtro adicional deve ser usado para evitar o entupimento do meio úmido ou dos bocais (WANG, 2000).

4.2 RESFRIADORES EVAPORATIVOS DIRETOS

Um resfriador evaporativo direto que pode fornecer resfriamento à ar para um espaço condicionado consiste principalmente no seguinte: um meio úmido, um ventilador (que geralmente é um ventilador centrífugo para fornecer a perda de pressão total necessária e um nível de ruído mais baixo), amortecedores, um sistema de controle e um reservatório no inferior (WANG, 2000).

5 REFRIGERAÇÃO EVAPORATIVA INDIRETA E RESFRIADORES EVAPORATIVOS INDIRETOS

5.1 PROCESSO DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO INDIRETO

Em um processo de resfriamento evaporativo indireto, o fluxo de ar primário a ser resfriado é separado da superfície úmida por uma placa plana ou parede de tubo, como mostrado na Figura 21 (b), e é chamado de ar refrigerado.

150


O ar refrigerado não entra em contato direto com o líquido de evaporação. Uma corrente de ar secundária flui sobre a superfície molhada de modo que a água líquida evapora e extrai calor da corrente de ar primária através da placa plana ou parede do tubo. Este fluxo de ar secundário úmido é conhecido como ar úmido. O objetivo da corrente de ar secundária é resfriar a superfície úmida, aproximando-se da temperatura do bulbo úmido por evaporação, e absorver o vapor de água evaporado (WANG, 2000).

Em um processo evaporativo indireto, a taxa de umidade da corrente de ar resfriada permanece constante porque o ar a ser resfriado não entra em contato com o líquido de evaporação. Este processo é representado pela linha horizontal 1-2 no gráfico psicrométrico mostrado na Figura 21 (b) (WANG, 2000).

5.2 RESFRIADORES EVAPORATIVOS INDIRETOS

A Figura 22, a seguir, mostra um resfriador evaporativo indireto típico feito por um fabricante australiano. Os principais componentes deste refrigerador são um trocador de calor a placas, um spray de água e sistema de recirculação, uma entrada de ar externa com filtros, um ventilador de abastecimento e exaustor conectados pelo mesmo eixo vertical e uma caixa de fibra de vidro ou aço inoxidável para evitar corrosão (WANG, 2000).

FIGURA 22 – RESFRIADOR EVAPORATIVO INDIRETO


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(a) Digrama esquemático; (b) Fluxo de ar fluindo através das passagens; (c) Transferência de calor através das placas de plástico.

A parte central deste resfriador evaporativo indireto é o trocador de calor de placas. As placas são feitas de plástico fino de cloreto de polivinila. Essas placas são espaçadas de 0,08 a 0,12 pol. (2 a 3 mm) e formam passagens horizontais e verticais alternadas (isto é, o ar a ser resfriado flui horizontalmente, e o ar que é pulverizado flui verticalmente). Como as placas têm apenas cerca de 0,01 pol. (0,25 mm) de espessura, a resistência térmica de cada placa de plástico é muito pequena, embora a condutividade térmica do plástico seja baixa (WANG, 2000).

O ar externo quente e seco no ponto “o” entra na entrada e filtra, e é extraído pelo ventilador de alimentação. Entra então na parte traseira do trocador e é forçado através das passagens horizontais, nas quais libera seu calor através das placas de plástico para as superfícies molhadas adjacentes das passagens verticais. O ar resfriado no ponto “s” flui pela frente para o espaço condicionado (WANG, 2000).

A água pulveriza sobre as passagens verticais no topo do trocador de calor a placas e forma superfícies úmidas e gotículas de água. A evaporação dessas superfícies molhadas e das gotículas absorvem o calor liberado do ar que flui horizontalmente pelas placas de plástico. O excesso de água cai para um reservatório, que faz a recirculação da água para bicos de pulverização por meio de uma bomba. A água de reposição é fornecida pelo abastecimento de água da cidade para compensar a evaporação e o transporte. A água é drenada periodicamente para evitar o acúmulo de matéria sólida (WANG, 2000).

O ar de retorno do espaço condicionado no ponto “r” é puxado através das passagens verticais entre as placas de plástico. Ele absorve o vapor de água evaporado e sua taxa de umidade aumenta. Quanto maior for a velocidade do

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ar úmido, maior será o coeficiente de transferência de calor da superfície úmida (hwet), maior será a diferença de entalpia (Δhs,w) entre o filme de ar saturado na superfície úmida e o fluxo de ar úmido, e maior a queda de pressão do fluxo de ar úmido. O ar úmido é então forçado através do ventilador de exaustão e descarregado para a atmosfera externa no ponto “ex” (WANG, 2000).

5.3 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO INDIRETO-DIRETO E RESFRIADORES EVAPORATIVOS INDIRETOS DE DOIS ESTÁGIOS

Quando o ar resfriado deixa um resfriador evaporativo indireto durante um verão quente, a temperatura do seu bulbo seco pode estar acima de 70°F (21,1°C) com uma umidade relativa entre 60 e 80 %. É benéfico adicionar um resfriador evaporativo direto para que a temperatura do ar resfriado possa ser reduzida ainda mais com o aumento da umidade relativa. Uma umidade relativa mais alta do ar fornecido resfriado é frequentemente aceitável quando o ar fornecido absorve a carga sensível ao espaço e mantém uma umidade relativa do espaço desejável durante o verão quente. Em comparação com um resfriador evaporativo indireto de estágio único, um resfriador evaporativo indireto-direto reduz significativamente a temperatura do espaço que atende (WANG, 2000).

Em um sistema de resfriamento evaporativo indireto-direto de dois estágios, um resfriador evaporativo direto é sempre conectado em série depois de um refrigerador evaporativo indireto para formar um refrigerador evaporativo indireto-direto. Se um resfriador evaporativo indireto for conectado em série depois de um resfriador evaporativo direto, tal resfriador evaporativo direto-indireto é, na verdade, um resfriador evaporativo direto de estágio único com uma temperatura de ar resfriado de descarga consideravelmente mais alta do que a de um resfriador direto-indireto (WANG, 2000).

Para um resfriador indireto-direto de dois estágios em operação com carga parcial, um dos estágios, direto ou indireto, pode ser desligado com base nas condições internas e externas. Em um resfriador indireto-direto de dois estágios, os trocadores de calor de placas são amplamente usados no resfriador indireto (WANG, 2000).


153


AR CONDICIONADO E COVID-19: REDUZINDO A PROPAGAÇÃO

A HISTÓRIA DA COVID-19 E O AR CONDICIONADO

Uma geração de pesquisa e experiências comprovou que se os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) forem devidamente operados e receberem a manutenção apropriada, eles podem reduzir a propagação de vírus. Segundo a Sociedade Norte-Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE), esses sistemas críticos de construção não apenas proporcionam conforto térmico, como também podem melhorar a resistência a infecções.

Recentemente, a Sociedade Americana de Microbiologia (ASM) abordou recentemente a questão da transmissão da COVID-19 no "ambiente construído", que pode ser entendido como edifícios, automóveis e outros ambientes internos nos quais a maioria dos seres humanos passa mais de 90% de seu tempo. O relatório da ASM afirma que existem vários vetores primários de transmissão que promovem infecções nesses ambientes construídos, incluindo a densidade de ocupantes, o grau de atividade e interação social e o contato humano com superfícies abióticas (superfícies que não fazem parte ou que não resultam dos seres vivos). A indústria de navios de cruzeiro, os asilos e as prisões nos ensinaram sobre o risco de transmissão em ambientes onde esses vetores se cruzam. No entanto, também aprendemos que lavar as mãos frequentemente e manter o distanciamento social funciona na redução da transmissão do vírus.

Juntamente com esses mitigantes primários, os sistemas HVAC trabalham em ambientes construídos para fornecer ar limpo, agradável e recuperado, além de misturar níveis saudáveis de ar de renovação e conter ou esgotar contaminantes. Os sistemas de distribuição de ar podem reduzir a transmissão de vírus por meio de filtragem, algo que os profissionais de HVAC são capazes de avaliar.

Os sistemas de ar-condicionado também são fundamentais para a manutenção de níveis saudáveis de umidade. “Manter a umidade relativa doar entre 40% e 60% em ambientes internos pode ajudar a limitar a propagação e a sobrevivência do SARS-CoV-2 (novo coronavírus) dentro do ambiente construído”, sugere a ASM, “minimizando, assim, o risco de proliferação de fungos, além de manter as mucosas (barreiras naturais de defesa do nosso corpo) dos ocupantes humanos intactas e hidratadas”.

Os Centros de Controle de Doenças (CDC) reiteram essas descobertas ao afirmarem que os empregadores podem diminuir a propagação da COVID-19 mantendo um ambiente de trabalho saudável. Segundo o CDC, “é possível melhorar e criar controles por meio do uso do sistema de ventilação do edifício”, incluindo maiores taxas de ventilação e uma quantidade maior de ar externo circulando pelo sistema.

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Bem antes da COVID-19, o Movimento Construção Saudável já se preocupava em medir e melhorar a qualidade do ar no ambiente construído, de forma a aumentar a produtividade e melhorar a saúde dos ocupantes. Dos nove pilares para uma construção saudável, cinco estão relacionados à climatização (HVAC), incluindo qualidade do ar, ventilação, saúde térmica, umidade, poeira e pragas. "Não há mais razão para economizar no fluxo de ar e na filtragem", defende John Macomber, da Harvard Business School. “É uma maneira barata de ajudar as pessoas a serem mais saudáveis”.

A HISTÓRIA DE UM RESTAURANTE

O ar-condicionado moderno e com manutenção profissional pode desempenhar um papel positivo no controle da COVID-19, garantindo um ambiente saudável durante e após a pandemia. Contudo, na China, noticiou-se que o vírus poderia ter se espalhado e contaminado várias pessoas por meio do sistema de ar-condicionado de um restaurante. Tecnicamente, os relatos não estavam errados, mas uma análise mais detalhada dos fatos revela uma história muito diferente.

Em 10 de fevereiro de 2020, dez pessoas de três famílias que frequentaram o mesmo restaurante climatizado, na cidade de Guangzhou, contraíram a COVID-19. Pesquisadores do Centro de Controle e Prevenção de Doenças de Guangzhou acreditam que o vírus foi transmitido por uma mulher assintomática, de 63 anos, pertencente a uma das famílias, para pelo menos um membro de cada uma das duas famílias que estavam sentadas em mesas vizinhas, a cerca de 1 metro de distância. Pelo fato de os imunologistas estarem convictos de que a COVID-19 pode ser transmitida por grandes gotículas infectadas com vírus, que são expelidas quando falamos, espirramos ou tossimos, os pesquisadores acreditam que as gotículas infectadas presentes nesse restaurante – normalmente pesadas o suficiente para cair no chão antes de chegarem a uma mesa a 1 metro de distância – foram potencializadas pelo fluxo de ar do ar condicionado do local.

Setenta e três outros clientes do restaurante foram identificados como tendo contato próximo com os membros dessas três famílias, mas nenhum desenvolveu sintomas da COVID-19. Os oito funcionários que atenderam esses clientes também não apresentaram sintomas.

Seis amostras da entrada e saída de ar do ar-condicionado também apresentaram resultados negativos para o vírus.

Em outras palavras, o sistema de ar condicionado do restaurante estava livre de vírus e operava conforme o planejado. "O principal fatora contribuir com a transmissão do vírus foi a direção do fluxo de ar", supuseram os pesquisadores.


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Por isso, o gerenciamento adequado do fluxo de ar é fundamental. Sem conhecer todos os detalhes deste caso, é provável que a distribuição inadequada do ar, combinada com a falta de distanciamento social, possa ter contribuído para a transmissão do vírus neste restaurante. Por essa razão, é muito importante gerenciar o fluxo de ar e a velocidade do fluxo de ar em um espaço ocupado. As diretrizes de pesquisa e da ASHRAE apontam para um limite máximo de velocidade do ar de 0.2 m/s. Para atingir essa condição, o ar precisa ser adequadamente insuflado no ambiente pelo sistema HVAC e distribuído de forma apropriada no espaço ocupado. Não está claro se o restaurante, neste caso, atendeu a esses critérios, mas, com base nas conclusões dos pesquisadores, parece improvável.

“Para evitar a disseminação da COVID-19 em restaurantes”, conclui o relatório, “recomenda-se o fortalecimento da vigilância e do monitoramento da temperatura, o aumento da distância entre as mesas e a melhoria da ventilação.”

Em nenhum ponto do relatório há qualquer sugestão de desligar o ar-condicionado como ação mitigadora.

MELHORES PRÁTICAS DE HVAC

Como mencionado anteriormente, os sistemas HVAC e o ambiente construído podem desempenhar um papel importante na prevenção da propagação de vírus. Para garantir a pureza adequada do ar em ambientes internos, um bom sistema de HVAC deve incluir alguns ou todos os itens especificados a seguir:

1. Ventilação (demanda controlada): Quando o ar externo não é suprido por dispositivo a parte, o sistema HVAC deve fornecer ar externo com base no tamanho/uso do espaço. Sempre que possível, o sistema HVAC deve possuir um sensor de dióxido de carbono ou outros poluentes para calcular e corrigir, em tempo real, a quantidade de ventilação necessária. É importante compreender que o aumento da taxa de ventilação pode causar um aumento de carga térmica e, caso a unidade HVAC não seja dimensionada adequadamente, poderá não ser capaz de fornecer a capacidade de refrigeração necessária para o ambiente. Em tais situações, pode ser indicado o uso de unidades Direct Outdoor Air Supply (DOAS - Suprimento de Ar Externo Direto) projetadas especificamente para grandes volumes de ar externo.

2. Filtragem: Os filtros são classificados quanto à capacidade de capturar e reter partículas de tamanhos diferentes. O padrão do setor é a classificação MERV (Valor Mínimo de Eficiência). Os filtros com MERV > 13 têm uma capacidade significativa de capturar material particulado (MP) e partículas menores. Os filtros HEPA são ainda mais eficientes e capazes de capturar bactérias e vírus. Observe que existem importantes compensações a serem consideradas: quanto mais altos os requisitos de filtragem, maior a queda de pressão do ar e o tamanho do filtro. Por esse motivo, o sistema de gerenciamento de ar do HVAC precisa ser cuidadosamente dimensionado com base nos requisitos de filtragem.

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3. Outros dispositivos de monitoramento da qualidade do ar interior: São várias as tecnologias disponíveis para reduzir a presença de contaminantes. Luzes ultravioleta, oxidação fotocatalítica ultravioleta, ionização, plasma, ativo eletrostático, carvão ativo e outros componentes podem ser instalados para atingir especificamente os compostos orgânicos voláteis (VOC), bactérias e vírus. Algumas dessas opções podem estar disponíveis como parte integrante do sistema HVAC.

Distribuição de ar:

1. A taxa de fluxo de ar, a velocidade do ar e a direção do ar insuflado pela unidade de ar condicionado precisam ser criteriosamente controladas. O objetivo é ter uma distribuição uniforme da temperatura no ambiente e evitar velocidades do ar acima de 0,2 m/s no espaço ocupado, evitando, assim, correntes de ar e o risco de partículas serem transportadas de uma parte da sala para a outra.

2. A quantidade total de fluxo de ar precisa ser adequadamente calibrada, de acordo com a capacidade de refrigeração da unidade (como boas práticas norte-americanas recomendam-seentre340 a 680 m³/h por tonelada de refrigeração). Além disso, a capacidade de resfriamento da unidade não deve ser superou subdimensionadas em relação a carga de resfriamento do espaço.

3. A localização da saída de ar, a orientação do ar e a intensidade da velocidade do ar na descarga tendem a determinar o fluxo de ar no ambiente e precisam ser otimizadas. Quanto mais o ar for insuflado diretamente para uma área ocupada, maior será o efeito de “resfriamento por pontos” e pior será a distribuição do ar. Por outro lado, uma distribuição ideal é alcançada da seguinte forma: (1) posicionara saída de ar de forma que garanta um bom fluxo de ar, mas que não sopre o ar diretamente no espaço ocupado; (2) garantir que o ar consiga se deslocar e expandir antes de atingir o espaço ocupado.

FATOS SOBRE O AR CONDICIONADO

O ar condicionado é definido como o processo de controle de temperatura, umidade, pureza e movimento do ar em um espaço fechado. O objetivo principal é proporcionar conforto aos ocupantes ou o controle preciso de temperatura e umidade.

Além do conforto, o bom condicionamento de ar melhora a saúde, reduzindo o desconforto, o estresse térmico e a suscetibilidade associada a vírus. Também está provado que o condicionamento de ar adequado em edificações aumenta a produtividade como nas escolas e nos ambientes de trabalho.

Em geral, os principais parâmetros de conforto/saúde em ambientes fechados são:


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• Temperatura: É o principal elemento de conforto. A temperatura ideal (normalmente definida por meio de um termostato) varia de acordo com inúmeras condições (estação climática, local, roupas etc.). A ASHRAE e o CDC recomendam10uma range de 20ºC -24ºC no inverno e 24ºC -27ºC no verão.

• Umidade: A umidade muito alta ou muito baixa causa desconforto. O objetivo é manter a umidade entre 40% a 60% de umidade relativa para maior conforto no ambiente. A ASHRAE recomenda que a umidade relativa fique abaixo de 60%.

• Pureza do ar: Em geral, a presença de partículas, gases (dióxido de carbono (CO2), radônio, compostos orgânicos voláteis), além de vírus e bactérias, prejudica a qualidade do ar, com consequências negativas para os ocupantes. O ar-condicionado ajuda a melhorar a qualidade do ar com várias técnicas, das quais as mais utilizadas são a ventilação e a filtragem externa. A ASHRAE recomenda taxas de ventilação específicas, dependendo da aplicação11. Por exemplo, uma sala de conferências deve ter uma taxa de ventilação externa de 25m³/pessoa.

• Velocidade e distribuição do ar: É importante que nenhuma sensação de corrente de ar (resfriamento local indesejado do corpo causado pelo movimento do ar) seja causada pelo ar-condicionado ou por outros elementos do movimento do ar no espaço ocupado. As diretrizes de pesquisa e da ASHRAE apontam para um limite máximo de velocidade do ar no espaço ocupado de 0,2 m/s.12Para alcançar essa condição, o ar precisa ser adequadamente insuflado no ambiente pelo sistema HVAC e distribuído de forma apropriada no espaço ocupado.

FONTE: CARRIER CORPORATION. AR CONDICIONADO E COVID-19: reduzindo a propagação. Disponível em: https://carrierdobrasil.com.br/wp-content/uploads/2020/06/Carrier-White-Pa-per-Covid-19-Portugu%C3%AAs.pdf. Acesso em: 8 dez. 2020.


CHAMADA

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RESUMO DO TÓPICO 3


• Sistemas de ar condicionado são geralmente projetados, instalados e operados em diferentes tipos e configurações com diferentes características do sistema para atender aos requisitos de projeto.

• A classificação de sistemas de ar condicionado deve incluir os aspectos primários dos sistemas de ar, sistemas de aquecimento e resfriamento, e como o sistema de ar afeta diretamente o controle do ambiente térmico interno e qualidade do ar interno.

• Um sistema de ar condicionado individual utiliza um ar-condicionado autônomo, feito de fábrica, para atender a um quarto individual. Está pronto para uso após conectar o cabo elétrico e a drenagem de água necessária.

• O resfriamento evaporativo é um processo de condicionamento de ar que usa a evaporação da água líquida para resfriar a corrente de ar direta ou indiretamente de modo que as temperaturas finais de bulbo seco ou úmido e seco da corrente de ar, sendo resfriada sejam mais baixas do que antes de sofrer o processo evaporativo.

• Todos os diagramas psicrométricos são construídos para uma dada pressão de mistura. A princípio, tendo sido estabelecida a pressão da mistura, quaisquer outras duas propriedades poderiam ser utilizadas na construção dos eixos.

• Em um processo de resfriamento evaporativo direto, o fluxo de ar a ser resfriado entra diretamente em contato com o meio úmido ou spray de água.

• Um resfriador evaporativo direto que pode fornecer resfriamento a ar para um espaço condicionado consiste principalmente no seguinte: um meio úmido, um ventilador (que geralmente é um ventilador centrífugo para fornecer a perda de pressão total necessária a um nível de ruído mais baixo), amortecedores, um sistema de controle e um reservatório no inferior.

• Em um processo evaporativo indireto, a taxa de umidade da corrente de ar resfriada permanece constante porque o ar a ser resfriado não entra em contato com o líquido de evaporação.

• Em um sistema de resfriamento evaporativo indireto-direto de dois estágios, um resfriador evaporativo direto é sempre conectado em série depois de um refrigerador evaporativo indireto para formar um refrigerador evaporativo indireto-direto.

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1 Ar-condicionado é um equipamento que tem como objetivo a obtenção de condições específicas do ar de diferentes ambientes, de forma a possibilitar conforto térmico para as pessoas, ou garantir condições especiais exigidas por processos ou equipamentos. Com relação ao conceito de sistemas de ar condicionado, observe as afirmações a seguir:

I- Sistemas de ar condicionado são geralmente projetados, instalados e operados em diferentes tipos de configurações, com diferentes características do sistema para atender a esses requisitos.

II- A classificação de sistemas de ar condicionado deve incluir os aspectos primários dos sistemas de ar, sistemas de aquecimento e resfriamento, e como o sistema de ar afeta diretamente o controle do ambiente térmico interno e qualidade do ar interno.

III- Sistemas de ar condicionado individuais são normalmente utilizados em zonas de perímetro para a conveniência da entrada de ar de ventilação externa local.

IV- Sistemas de ar condicionado individuais não necessitam de manutenção regular de bobinas e filtros, comparado com sistemas compactos e centrais.

V- Sistemas individuais sempre usam uma bobina de expansão direta para resfriar o ar diretamente.

Assinale a alternativa CORRETA:a) ( ) Apenas I e III.b) ( ) Apenas I, III e IV.c) ( ) Apenas I e IV.d) ( ) Apenas I, II, III e IV.e) ( ) Todas estão corretas.

2 Um sistema de ar condicionado individual usa um ar condicionado autônomo, feito de fábrica, para atender a um quarto individual. Está pronto para uso após conectar o cabo elétrico e a drenagem de água necessária. Os sistemas individuais sempre usam uma bobina de expansão direta (DX) para resfriar o ar diretamente. Os sistemas individuais podem ser subdivididos em sistemas de ar condicionado de sala e de terminal compacto. Com relação aos sistemas de ar condicionado de sala, observe as afirmações a seguir:

I- Três tipos de equipamentos usados em sistemas de ar condicionado de sala são aparelho de ar condicionado montados através da parede ou em janelas, bombas de calor e ar condicionado split com uma unidade de condensação externa e um manipulador de ar interno.

II- Sistemas de ar condicionado de sala apresentam dutos de alimentação, retorno ou exaustão.

AUTOATIVIDADE

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III- Uma bomba de calor de ambiente tem uma configuração semelhante a um ar condicionado de ambiente, o que muda é a adição de uma válvula de reversão de quatro vias na bomba de calor.

IV- O aquecimento por resistência elétrica é frequentemente usado em bombas de calor internas, para complementar o aquecimento do inverno.


3 Com relação aos sistemas de resfriamento evaporativo e resfriadores evaporativos, analise as afirmativas a seguir:

I- Resfriamento evaporativo é um processo de condicionamento de ar que usa a evaporação da água líquida para resfriar a corrente de ar direta ou indiretamente.

II- Um resfriador evaporativo é um equipamento que se assemelha ao ar condicionado.

III- Um sistema de ar condicionado de resfriamento evaporativo é um sistema de ar no qual mais de 50% do resfriamento total fornecido é pelo processo de evaporação.

IV- Um sistema de ar condicionado de resfriamento evaporativo consiste de resfriadores evaporativos, ventiladores, bombas, filtros, dispositivos de recuperação de calor, trocadores de calor, entre outros componentes.


4 Um sistema de ar condicionado de resfriamento evaporativo, ou simplesmente sistema de resfriamento evaporativo, é um sistema de ar condicionado no qual mais de 50% do resfriamento total fornecido anualmente é resfriado por evaporação. Explique sucintamente como funciona o processo de resfriamento evaporativo direto.

5 O resfriamento evaporativo é um dos mais antigos e mais eficientes métodos de se refrigerar de forma passiva uma edificação em climas secos. Explique sucintamente como funciona o processo de resfriamento evaporativo indireto.

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REFERÊNCIAS

CARRIER CORPORATION. Ar-condicionado e Covid-19: reduzindo a propagação. Disponível em: https://carrierdobrasil.com.br/wp-content/uploads/2020/06/Carrier-White-Paper-Covid-19-Portugu%C3%AAs.pdf. Acesso em: 8 dez. 2020.

MILLER, R.; MILLER, M.R. Ar-Condicionado e Refrigeração. 2 ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2014.

STOECKER, W.F.; JABARDO, J.M.S. Refrigeração Industrial. 2 ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher Ltda, 2002.

WANG, S.K. Handbook of air conditioning and refrigeration. 2 ed. EUA: McGraw-Hill, 2000.

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Prof.ª Camila Safieddine