SISTEMAS DEDICADOS AO TRATAMENTO DO AR DE RENOVAO NO

CONDICIONAMENTO DE AR

Joo DAnuzio Lima de Azevedo

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-

graduao em Engenharia Mecnica, COPPE, da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessrios obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia Mecnica.

Orientador: Nisio de Carvalho Lobo Brum

Rio de Janeiro

Maro de 2013

iii

Azevedo, Joo DAnuzio Lima de

Sistemas Dedicados ao Tratamento do Ar de

Renovao no Condicionamento de Ar/ Joo DAnuzio

Lima de Azevedo. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,

2013.

XV, 182 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Nisio de Carvalho Lobo Brum

Dissertao (mestrado) UFRJ/ COPPE/

Programa de Engenharia Mecnica, 2013.

Referncias Bibliogrficas: p. 113 a 116.

1. Ar condicionado. 2. DOAS. 3. Roda entlpica. 4. Roda

dessecante I. Brum, Nisio de Carvalho Lobo. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,

Programa de Engenharia Mecnica. III. Titulo.

iv

Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

SISTEMAS DEDICADOS AO TRATAMENTO DO AR DE RENOVAO NO CONDICIONAMENTO DE AR

Joo DAnuzio Lima de Azevedo

Maro/2013

Orientador: Nisio de Carvalho Lobo Brum D.Sc.

Programa: Engenharia Mecnica

No presente estudo so analisados diferentes arranjos de sistemas de

condicionamento de ar com objetivo de reduzir o consumo energtico requerido. Os

modelos abordados compreendem o convencional, com desvio do ar de retorno e os

sistemas de ar externo dedicado (DOAS). A integrao das unidades dedicadas com

dispositivos de recuperao de calor e desumidificao, tais como rodas entlpicas e

dessecantes, foram levadas em considerao. A simulao se deu em parte pela

implementao de cdigos em linguagem FORTRAN e por softwares de fabricantes

certificados pela AHRI (Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute)

disponibilizados gratuitamente. Para avaliar a variao do consumo energtico ao longo

do ano foram criados dias tpicos para cada ms utilizando dados da tabela TMY (Typical

Meteorological Year). Um estudo de caso foi realizado considerando a aplicao para

cidade de Manaus, quente e mida a maior parte do ano, sendo observado que os

sistemas de ar externo dedicado se mostraram uma boa alternativa, reduzindo o consumo

energtico anual em aproximadamente 20%.

v

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

VENTILATION DEDICATED SYSTEMS IN AIR CONDITIONING

Joo DAnuzio Lima de Azevedo

March/2013

Advisor: Nisio de Carvalho Lobo Brum D.Sc.

Department: Mechanical Engineering

In this study were analyzed different arrangements of air conditioning systems to

provide a reduction in the energy consumption. The models studied include the

conventional, with recirculating air desvio and the dedicated outdoor air systems (DOAS).

The integration of dedicated units with energy recovery and dehumidifier devices was

considered. The simulation was made in part by a FORTRAN code and manufacturer

freeware certified by AHRI. To evaluate the annual energy consumption, a typical day

model for each month was created with TMY data. A case study was accomplished for

Manaus city, hot and humid almost all year, and the results suggest that dedicated outdoor

air systems are a good choice, reducing energy consumption nearly 20%.

vi

SUMRIO

1 INTRODUO............................................................................................................ 1

1.1 MOTIVAO E OBJETIVOS ............................................................................... 1

1.2 APRESENTAO DA DISSERTAO ............................................................... 4

2 REVISO BIBLIOGRFICA........................................................................................ 5

2.1 PRINCPIOS BSICOS ....................................................................................... 6

2.1.1 Funcionamento ............................................................................................. 6

2.1.2 Classificao ................................................................................................ 8

2.2 PESQUISA SOBRE SISTEMAS DE AR EXTERNO DEDICADO ....................... 11

3 DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS PARA RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO DO AR ........................................................... 20

3.1 CARACTERSTICAS DE SERPENTINAS DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO .................................................................................................... 20

3.2 PROCESSO DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO EM SERPENTINAS ALETADAS ........................................................................................ 22

3.3 TRANSFERNCIA DE CALOR E MASSA EM SERPENTINAS ALETADAS .................................................................................................................. 23

3.4 IMPLEMENTAO DE UMA FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS .................................... 28

3.4.1 Fluxograma funcionamento ........................................................................ 35

3.4.2 Validao do programa ............................................................................... 37

4 PSICROMETRIA EM SISTEMAS DE AR CONDICIONADO ..................................... 40

4.1 SISTEMA CONVENCIONAL ............................................................................. 41

4.1.1 Sistema convencional com baixa ou moderada carga latente ..................... 44

4.1.2 Sistema convencional com alta carga latente ............................................. 51

4.2 SISTEMA CONVENCIONAL COM DESVIO DO AR DE RETORNO ................................................................................................................... 56

4.2.1 Implementao do cdigo computacional para o sistema com desvio do ar de retorno. ............................................................................................ 58

4.2.2 Algoritmo do programa para sistema com desvio do ar de retorno 60

4.3 SISTEMA DE AR EXTERNO DEDICADO ......................................................... 61

4.3.1 DOAS com serpentina dedicada (CC) ........................................................ 62

vii

4.3.2 DOAS com serpentina dedicada e roda entlpica (CC+HW) ...................... 64

4.3.3 DOAS com serpentina dedicada, roda entlpica e roda dessecante (CC+HW+DW) ....................................................................................... 65

4.3.4 Implementao do cdigo computacional para sistemas de ar externo dedicado ...................................................................................................... 68

4.3.5 Algoritmo do programa para sistemas de ar externo dedicado ................... 70

5 ESTUDO DE CASO: A UTILIZAO DOS SISTEMAS DE AR EXTERNO DEDICADO NA CIDADE DE MANAUS ......................................................... 72

5.1 METODOLOGIA ................................................................................................ 72

5.1.1 Caractersticas do Recinto .......................................................................... 72

5.1.2 Modelo do Dia Tpico .................................................................................. 75

5.1.3 Anlise do Consumo Eltrico em Sistemas de Ar Condicionado ............................................................................................................ 78

5.1.4 Dimensionamento das Serpentinas dos Sistemas ...................................... 78

5.1.5 Rodas Dessecantes .................................................................................... 79

5.1.6 Procedimento da Simulao ....................................................................... 83

5.2 RESULTADOS .................................................................................................. 85

5.2.1 Simulao do Sistema Convencional .......................................................... 85

5.2.2 Simulao do Sistema com Desvio do Ar de Retorno ................................. 88

5.2.3 Simulao dos sistemas de ar externo dedicados ...................................... 93

5.3 ANLISE COMPARATIVA ............................................................................... 101

5.3.1 Comparativo Entre as Serpentinas das Unidades Terminais e Dedicadas ............................................................................................................... 101

5.3.2 Comparativo do Consumo de Energia Eltrica nos Sistemas de Ar Condicionado ................................................................................................ 105

6 CONCLUSO ......................................................................................................... 111

7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................ 113

ANEXO II SIMULAO DE SERPENTINAS DE REFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO ..................................................................................................... 119

ANEXO III SIMULAO DOS SISTEMAS DE AR CONDICIONADO ......................... 127

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - (a) Sistema convencional. (b) DOAS em paralelo com unidade

convencional. ..................................................................................................................... 6

Figura 2.2 - (a) Distribuio direta. (b) Distribuio indireta (MORRIS, 2003).................... 9

Figura 2.3 - (a) Temperatura Fria. (b) Temperatura Neutra. ............................................ 10

Figura 2.4 DOAS com serpentina de resfriamento e desumidificao. ......................... 11

Figura 2.5 Potencial de economia com a roda entlpica (adaptado de

GATLEY, 2000). .............................................................................................................. 12

Figura 2.6 DOAS com duas rodas entlpica. ................................................................ 14

Figura 2.7 Variao da transferncia de calor sensvel/reaquecimento em

relao a vazo de ar (adaptado de SUBRAMANYAM et al, 2004). ................................ 16

Figura 3.1 Serpentina de resfriamento e desumidificao. ........................................... 21

Figura 3.2 Processo de resfriamento e desumidificao. ............................................. 22

Figura 3.3 Ilustrao de aletas circulares de espessura uniforme em corte. ................ 32

Figura 3.4 Eficincia de aletas circulares (Adaptado de THRELKELD et al,

1998). .............................................................................................................................. 33

Figura 3.5 Curva ajustada da taxa = (Adaptado de Barbosa, 2011). .............................................................................................................................. 35

Figura 3.6 Algoritmo para dimensionamento de serpentinas aletadas.......................... 36

Figura 4.1 Diagrama esquemtico do sistema convencional pelo lado ar. ................. 41

Figura 4.2 Processos psicromtricos do sistema convencional com carga

latente baixa ou moderada............................................................................................... 44

Figura 4.3 Esquema das correntes de ar que entram e saem da serpentina. ............... 45

Figura 4.4 Diagrama de funcionamento do programa de simulao do

sistema convencional sem reaquecimento. ...................................................................... 51

Figura 4.5 - Processos psicromtricos do sistema convencional com carga

latente alta. ...................................................................................................................... 52

Figura 4.6 Temperatura ADP para diferentes temperaturas do recinto e

fatores de calor sensvel efetivo para a umidade relativa de 50% (adaptado de

KESSEY, 1981). .............................................................................................................. 54

Figura 4.7 - Diagrama de funcionamento do programa de simulao do

sistema convencional com reaquecimento. ...................................................................... 55

ix

Figura 4.8 - Diagrama esquemtico do sistema com desvio no retorno pelo

lado ar. .......................................................................................................................... 57

Figura 4.9 - Processos psicromtricos do sistema com desvio do ar de

retorno. ............................................................................................................................ 57

Figura 4.10 Esquema das correntes de ar que entram e saem da serpentina

com desvio no retorno. .................................................................................................... 58

Figura 4.11 - Diagrama de funcionamento do programa de simulao do

sistema com desvio no ar de retorno. .............................................................................. 61

Figura 4.12 - Diagrama esquemtico do sistema de ar externo dedicado com

serpentina de resfriamento (CC). ..................................................................................... 63

Figura 4.13 - Processos psicromtricos do DOAS com serpentina dedicada. ................. 63

Figura 4.14 - Esquema do DOAS com serpentina e roda entlpica (CC+HW). ............... 64

Figura 4.15 - Processos psicromtricos do DOAS com roda entlpica e

serpentina dedicada (CC+HW). ....................................................................................... 65

Figura 4.16 - Diagrama esquemtico do sistema de ar externo dedicado

(CC+HW+DW) pelo lado ar. .......................................................................................... 66

Figura 4.17 - Processos psicromtricos do DOAS com serpentina dedicada,

roda entlpica e roda dessecante (CC+HW+DW). ........................................................... 67

Figura 4.18 - Diagrama de funcionamento do programa de simulao dos

sistemas de ar externo dedicado. .................................................................................... 71

Figura 5.1 Participao na carga trmica de cada ganho de calor ............................... 74

Figura 5.2 Distribuio das condies do ar externo na carta psicromtrica. ............... 76

Figura 5.3 Variao horria da temperatura do ar externo ao longo do ano

(TMY). ............................................................................................................................. 76

Figura 5.4 - Variao horria da umidade do ar externo ao longo do ano

(TMY). ............................................................................................................................. 77

Figura 5.5 - Ilustrao esquemtica da roda dessecante. ............................................... 80

Figura 5.6 Interface do software de seleo de rodas entlpicas

ECOFRESH. ................................................................................................................ 82

Figura 5.7 Interface do software da roda dessecante da Rotor Source. .................... 83

Figura 5.8 Procedimentos das simulaes. .................................................................. 84

Figura 5.9 Disperso de dados obtidos pela simulao do sistema

convencional. ................................................................................................................... 85

Figura 5.10 Detalhe 1 da Figura 5.9. ............................................................................ 86

x

Figura 5.11 Detalhe 2 da Figura 5.9. ............................................................................ 87

Figura 5.12 Consumo energtico mdio mensal do sistema convencional. .................. 88

Figura 5.13 - Disperso de dados obtidos pela simulao do sistema com

desvio no retorno. ............................................................................................................ 89

Figura 5.14 Vazo de ar de insuflamento e consumo de energia eltrica

variando com o desvio de ar do sistema com desvio de retorno. ..................................... 91

Figura 5.15 Temperatura e Razo de umidade do ar de insuflamento

variando o desvio de ar no sistema com desvio no retorno. ............................................. 92

Figura 5.16 - Disperso de dados obtidos pela simulao do DOAS CC. ....................... 93

Figura 5.17 Consumo de energia eltrica ao longo do ano no DOAS CC. ................... 94

Figura 5.18 - Disperso de dados obtidos pela simulao do DOAS CC+HW. ............... 95

Figura 5.19 Consumo de energia eltrica ao longo do ano das unidades TU

e DOA do sistema DOAS CC+HW. .................................................................................. 96

Figura 5.20 Relao de temperaturas PA, EX, RA e OA. ............................................. 97

Figura 5.21 - Disperso de dados obtidos pela simulao do DOAS

CC+HW+DW. .................................................................................................................. 98

Figura 5.22 - Consumo de energia eltrica anual de TU e DOAS

CC+HW+DW. ................................................................................................................ 100

Figura 5.23 - reas total das serpentinas dos sistemas de ar condicionado. ............... 102

Figura 5.24 Temperatura de entrada de gua na serpentina para vrios n

de fileiras. ...................................................................................................................... 103

Figura 5.25 Consumo eltrico dos sistemas de ar condicionado ao longo do

ano. ............................................................................................................................... 105

Figura 5.26 Consumo total anual dos sistemas de ar condicionado. .......................... 106

Figura 5.27 - Processos psicromtricos do ar de processo em DOAS. ......................... 109

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Eficincia aproximada de aletas planas para vrios nmeros

de fileiras. ........................................................................................................................ 27

Tabela 3.2 Velocidade de face recomendada em funo do nmero de

aletas por metro. .............................................................................................................. 30

Tabela 3.3 Dados iniciais para dimensionamento de serpentinas. ................................ 37

Tabela 3.4 Resultado das simulaes para validao do cdigo

FORTRAN. ...................................................................................................................... 38

Tabela 4.1 Fator de desvio (BF) tpico para diversas aplicaes (Fonte:

Handbook of Air Conditioning System Design). ................................................................ 43

Tabela 5.1 Resumo do clculo de carga trmica do recinto. ......................................... 74

Tabela 5.2 Resfriadores de lquido (Chillers) Requisitos mnimos de

eficincia energtica (adaptado de ASHRAE Standards 90.1, 2004). .............................. 78

Tabela 5.3 Resumo das serpentinas selecionadas. .................................................... 104

Tabela 5.4 Ranking de consumo de energia e recomendaes sobre

sistemas. ....................................................................................................................... 110

xii

LISTA DE SMBOLOS

a Espessura da serpentina

Ai rea interna total

Af rea total das aletas

AF rea de face

Ap rea total externa dos tubos

At rea total de troca trmica da serpentina

b Altura da serpentina

BF Fator de desvio

BM Coeficiente de desvio de retorno

Bw Taxa CLH Quantidade de calor latente transferida atravs da serpentina

cp Calor especfico

cpT Calor especfico do ar

cpwT Entalpia da gua condensada

CSH Quantidade de calor sensvel transferida atravs da serpentina

CSHF Fator de calor sensvel da serpentina

CTH Quantidade total de calor transferida na serpentina

a Coeficientes de regresso da equao 4.8 de Dimetro externo dos tubos

di Dimetro interno dos tubos

DSH Capacidade de resfriamento sensvel da unidade de dedicada

e Espaamento dos tubos

ESHF Fator de calor sensvel efetivo

f Espessura da aleta

ha Coeficiente de conveco do ar

hADP Entalpia do ar saturado

hEA Entalpia da entrada de ar na serpentina

hLA Entalpia da sada de ar na serpentina

ho Calor de vaporizao da gua

hOA Entalpia do ar externo

xiii

hRA Entalpia do ar de retorno

J Diferena entre r1 e r2

kw Condutividade trmica do filme de gua condensada

L Comprimento da serpentina

(LMTD)aw Diferena logartmica mdia de temperatura entre o ar e gua

Taxa do ar entrando na serpentina

Taxa do ar de exausto

Taxa do ar saindo da serpentina

Taxa de massa do ar externo

Taxa de massa do ar de retorno

SAm& Taxa de massa do ar insuflado

Vazo mssica de gua nf Nmero total de aletas

nr Nmero de rows

nt Nmero total de tubos

nt/r Nmero total de tubos por row

P Presso da mistura

PF Potncia frigorfica

Potncia frigorfica da serpentina dedicada PFT Capacidade total de resfriamento do sistema

Psat Presso de vapor saturado

QH Quantidade de calor no reaquecimento

Ra Resistncia trmica do filme de ar

Rf Resistncia trmica das aletas

RLH Carga trmica latente interna

RSH Carga trmica sensvel

RSHF Fator de calor sensvel do recinto

Rtb Resistncia trmica dos tubos

RTH Carga trmica do recinto

Rw Resistncia trmica do filme de gua dentro dos tubos

Tadp Temperatura de ponto de orvalho da serpentina

TCA Temperatura do ar tratado pela unidade DOA

xiv

TEA Temperatura do ar entrando na serpentina

TEW Temperatura da gua gelada entrando na serpentina

TLA Temperatura do ar saindo da serpentina

TLW Temperatura da gua gelada saindo da serpentina

TOA Temperatura do ar externo

TRA Temperatura do recinto/ar de retorno

TSA Temperatura do ar insuflado

TUSH Quantidade de calor sensvel restante a ser tratada pela unidade terminal

Tsm Temperatura mdia da superfcie externa da serpentina

Tw Temperatura do filme de condensado

Twm Temperatura mdia da gua

U Coeficiente global de troca trmica

uw Velocidade mdia da gua no interior dos tubos

var Volume especfico do ar

VF Velocidade de face

ADPw Razo de umidade do ar saturado

WCA Razo de umidade do ar processado pela unidade DOA

wEA Razo de umidade do ar entrando na serpentina

wLA Razo de umidade do ar saindo da serpentina

wOA Razo de umidade do ar externo

wRA Razo de umidade do ar interno

wSA Razo de umidade do ar insuflado

yw Espessura do filme de material condensado

Smbolos Gregos

wo, Coeficiente de pelcula da gua na superfcie externa

Eficcia da superfcie total

Eficincia das aletas

tb Condutividade trmica do material dos tubos

Nmero de aletas por metro

xv

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

AHRI Air-conditionig, heating and Refrigerating Institute

ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning

Engineers

COP Coeficiente de eficcia

DOAS Dedicated Outdoor Air System

IPLV Integrated Part Load Value

TER Total Energy Recovery

TMY Typical Meteorological Year

TU Terminal Unit

VAV Volume de Ar Varivel

1

1 INTRODUO

1.1 MOTIVAO E OBJETIVOS

A racionalizao do uso da energia um constante objetivo das

pesquisas em engenharia de um modo em geral e em particular na engenharia

mecnica. Como exemplo, tm-se as pesquisas voltadas para otimizao e

reduo do consumo de energia de sistemas refrigerao e condicionamento de

ar. Tal estudo se torna relevante pelo fato de que o nmero de equipamentos de

condicionamento de ar estar aumentando continuamente nos grandes centros e a

crescente necessidade de condicionamento de ar por parte de processos

industriais.

No Brasil, cerca de 48% da demanda energtica do setor comercial

devido a equipamentos de condicionamento de ar (PROCEL, 2007). Em Manaus

este consumo corresponde a 27% do consumo domstico (POMPERMAYER,

2000) e 20% em edifcios comerciais (CARLO, 2002). Nos ambientes

condicionados artificialmente torna-se necessrio manter nveis de renovao do

ar estritos, regulados inclusive pela ANVISA (Agncia Nacional de Vigilncia

Sanitria). Esta renovao utiliza o ar exterior que, por exemplo, em Manaus

quente e mido a maior parte do ano, assim, torna-se necessrio resfriar e

desumidificar esta corrente sendo ela responsvel por uma substancial parcela do

2

consumo energtico das instalaes de condicionamento de ar especialmente

nesta cidade.

O objetivo desse estudo analisar o comportamento dos sistemas de ar

externo dedicado para a reduo do consumo de energia eltrica em sistemas de

condicionamento de ar de grande porte por meio da minimizao de carga trmica

latente, considerada elevada nas condies ambientais da cidade de Manaus.

Em regies de clima quente e mido os sistemas convencionais,

eventualmente, precisam reaquecer o ar insuflado (adicionar calor sensvel) para

garantir o controle da umidade relativa no recinto quando a parcela latente da

carga total relativamente alta e, para isso, so comumente utilizadas baterias de

aquecimento localizadas aps a serpentina do equipamento (KHARAGPUR,

2008).

Esta prtica, que envolve aquecimento e resfriamento simultaneamente,

eleva consideravelmente o consumo de energia eltrica nesses sistemas, como

resultado, vrias normas internacionais tais como as da ASHRAE (American

Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers) e LEED

(Leadership in Energy & Environmental Design) limitam ou probem o uso do

reaquecimento em diversas aplicaes.

Dentre as configuraes propostas, est o emprego do desvio do ar de

retorno em sistemas convencionais sugerido por BOLLIGER (2003), o qual

proporciona reaquecimento equivalente a custo nulo e reduz a potncia eltrica

instalada. Outras propostas abordaro o emprego de uma tecnologia que est

sendo amplamente utilizada em construes de alta eficincia energtica; os

sistemas de ar externo dedicado (do ingls, Dedicated Outdoor Air Systems -

3

DOAS). Segundo MURPHY (2012), os DOAS basicamente consistem em dividir a

carga do sistema em duas contribuies, uma sensvel, oriunda do ar recirculado

na unidade terminal, e outra latente, a qual tratada pela unidade dedicada.

A anlise ser feita atravs de simulao computacional em cdigo

FORTRAN do sistema de equaes psicromtricas tal como apresentado por

CARRIER (1966), para tal, um modelo matemtico de anlise psicromtrica em

sistemas de condicionamento de ar ser resolvido visando prever as propriedades

do ar ao longo dos processos, bem como, a capacidade ou potncia frigorfica

exigida das serpentinas da unidade terminal e dedicada em funo da carga

trmica interna do recinto e das variaes de temperatura e umidade relativa do ar

externo.

Uma vez simulados os sistemas, com as propriedades do ar na entrada

e sada da serpentina, um programa de dimensionamento de serpentinas

inspirado na metodologia encontrada em JONES (2005) e THRELKELD et al

(1998), tambm em linguagem FORTRAN, ser implementado para determinar as

caractersticas mnimas de funcionamento assim como comparar a ordem de

grandeza entre as serpentinas dos modelos propostos.

O resultado deste projeto ser o mapeamento das condies de

operao de grandes sistemas de condicionamento de ar integrados a unidades

de tratamento de ar externo dedicadas ao resfriamento e desumidificao do ar

exterior para dias tpicos de cada ms na cidade de Manaus.

4

1.2 APRESENTAO DA DISSERTAO

No captulo 2 ser realizada uma reviso bibliogrfica acerca das

caractersticas tcnicas e operacionais dos sistemas de ar externo dedicado e

seus componentes;

No captulo 3 ser apresentada uma metodologia para

dimensionamento de serpentinas de resfriamento e desumidificao e o seu

algoritmo de funcionamento;

No captulo 4 sero apresentados os modelos de sistemas de

condicionamento de ar utilizados neste estudo e o algoritmo da soluo;

No captulo 5 ser realizado um estudo de caso contendo uma anlise

comparativa do desempenho e consumo energtico da operao de um ambiente

modelo levando em considerao as condies climticas de Manaus para o

sistema convencional e demais propostas.

No captulo 6 sero expostas as concluses deste estudo e sugestes

para trabalhos futuros.

5

2 REVISO BIBLIOGRFICA

O sistema de ar externo dedicado (DOAS) consiste em duas unidades

de tratamento de ar em paralelo: uma exclusiva para o tratamento do ar externo

que lida com cargas latentes e outra para lidar com cargas sensveis oriundas do

recinto.

Segundo a ASHRAE Standards 62.1 (2004), os sistemas de

climatizao que atendem multizonas, tais como os de Vazo de Ar Varivel

(VAV), possuem alguns problemas em potencial em termos de conforto trmico e

qualidade do ar interior. Dependendo das circunstncias ambientais e do sistema

paralelo adotado, o DOAS poder tanto combater a carga trmica latente quanto

parte do calor sensvel deixando o restante desta parcela para a unidade terminal

(TU).

De acordo com a ASHRAE Journals, os sistemas de ar externo

dedicado tm sido extensivamente utilizados na Europa e em diversas formas

lugares dos Estados Unidos. No Brasil, esta tecnologia j vem ganhando espao

h algum tempo, principalmente nas grandes capitais das regies sul e sudeste,

aps a criao do Programa Nacional de Etiquetagem de Edificaes por meio de

convnios firmados com a Eletrobrs no mbito do Programa Nacional de

Conservao de Energia Eltrica - PROCEL Edifica.

Este captulo apresenta uma reviso bibliogrfica que delineia os

principais estudos acerca dos tipos de arranjos, incluindo vantagens e

desvantagens, performance e custo energtico de tais sistemas.

6

2.1 PRINCPIOS BSICOS

2.1.1 Funcionamento

A ideia de utilizar o sistema de ar externo dedicado no nova.

MECKLER (1986) desenvolveu sistemas e publicou artigos sobre o assunto h

mais de 20 anos, iniciando a divulgao deste conceito. O DOAS consiste em

separar a responsabilidade de ventilao e carga latente da carga sensvel do

recinto atendido pela unidade terminal existente nos sistemas convencionais. Na

Fig. 2.1, encontram-se uma ilustrao dos dois tipos de sistema.

Figura 2.1 - (a) Sistema convencional. (b) DOAS em paralelo com unidade convencional.

7

No sistema convencional (Fig.2.1a), o ar insuflado para o recinto em

SA, aps as trocas trmicas parte exausta (EX) e outra recirculada (RA). O ar

de retorno misturado com a corrente de ar vinda do ambiente exterior (OA)

sendo em seguida resfriado e desumidificado pela unidade terminal (Fancoil, por

exemplo) e insuflado novamente para o recinto.

J o DOAS em paralelo com uma unidade terminal, na Fig. 2.1b, h

duas correntes de insuflamento oriundas do DOAS (CA) e da recirculao de ar

(SA). Neste sistema no h mistura do ar de retorno com o ar externo sendo este

tratado exclusivamente pelo DOAS encarregado da parcela latente e parte da

sensvel do recinto, desta forma, a unidade terminal seria responsvel pelo

restante da carga sensvel.

No Brasil, tanto para o DOAS quanto nos sistemas convencionais a

quantidade de ar externo (ar fresco) que deve ser fornecida ao ambiente regida

pela norma tcnica ABNT NBR-16401-1/2/3 (na parte 3) adotando a metodologia

ANSI/ASHRAE 62.1. A tomada de ar exterior em sistemas de condicionamento de

ar serve para a diluio de poluentes e contaminantes nos ambientes

climatizados.

Alm da norma citada acima, a Agncia Nacional de Vigilncia Sanitria

ANVISA em 28 de Agosto de 1998 instituiu a portaria n 3523 do Ministrio da

Sade que trata acerca da qualidade de ar interior e preveno de riscos sade

dos ocupantes de ambientes climatizados. O artigo 5 adota o critrio mnimo de

27m3/h/pessoa para garantir a renovao do ar interior dos recintos climatizados.

8

2.1.2 Classificao

Os sistemas de ar externo dedicados podem ser classificados atravs

do mecanismo de distribuio de ar (direto ou indireto) e pela temperatura do ar

insuflado no recinto (neutra ou fria).

2.1.2.1 Quanto distribuio de ar

De acordo com MORRIS (2003), o DOAS na Fig.2.2a consiste em uma

unidade dedicada a qual entrega ar externo condicionado para cada espao

ocupado por meio de dutos e difusores separados. Essa configurao promove

algumas vantagens tais como; um caminho separado para a corrente de

ventilao, facilitando a medio e balanceamento da vazo de ar externo e o

condicionamento do ar externo separado evita a imposio de carga de ventilao

na unidade local promovendo adequada capacidade de desumidificao sem o

sobreresfriamento do recinto. Entretanto, dutos e difusores adicionais podem

elevar o custo inicial do sistema, alm disso, o insuflamento do ar externo e do

recirculado por difusores diferentes podem no garantir um adequada mistura das

duas correntes de ar no recinto.

Ainda sob a perspectiva de MORRIS (2003), o DOAS mostrado na

Fig.2.1b tambm usa uma unidade de ar externa dedicada carga de ventilao,

porm o ar condicionado entregue nas proximidades ou dentro de cada unidade

local. O ar externo misturado com o ar recirculado passando pela serpentina de

9

resfriamento da unidade terminal insuflando ar misturado e climatizado em cada

recinto. As vantagens deste tipo de arranjo incluem o uso do mesmo duto e difusor

evitando custos adicionais como os de caminhos separados, e ainda, a mistura do

ar externo como o de retorno antes de ser entregue ao recinto, garante facilmente

o alcance do um conforto trmico uniforme.

Figura 2.2 - (a) Distribuio direta. (b) Distribuio indireta (MORRIS, 2003).

2.1.2.2 Quanto temperatura de insuflamento

MUMMA (2001) e MORRIS (2003) apontam para dois modos de

fornecimento de ar quanto a sua temperatura, fria ou neutra. A temperatura de

insuflamento do DOAS geralmente de escolha do projetista que deve optar pela

neutra, quando est prxima a temperatura de projeto do recinto (entre 22C e

24C), ou pela fria, quando opta pela temperatura de saturao. MUMMA (2001)

recomenda fortemente o uso da temperatura fria, pois, com esta temperatura, o

DOAS alm de encarregar-se da carga latente, combate parte da carga sensvel

10

do recinto reduzindo a capacidade da unidade terminal, ao passo que, na

condio neutra acontece o oposto devido a pequena diferena de temperatura

entre CA e RA sendo necessrio o reaquecimento (Fig. 2.3b).

Figura 2.3 - (a) Temperatura Fria. (b) Temperatura Neutra.

11

2.2 PESQUISA SOBRE SISTEMAS DE AR EXTERNO DEDICADO

COAD (1999) apresenta em seu artigo a ideia de que a utilizao de

uma cmara mistura entre o ar de retorno e o exterior a montante da unidade de

tratamento de ar um conceito fundamentalmente defeituoso e que esta prtica

deveria ser substituda. O conceito proposto por COAD (1999) consistia em impor

uma unidade de condicionamento de ar de ventilao (significado equivalente a

DOAS) para garantir de forma confivel o conforto trmico e elevada qualidade do

ar interior para ambientes com controle de temperatura e umidade extremamente

crtico a um custo reduzido. A Fig. 2.4 ilustra do modelo relativamente simples de

DOAS sugerido por COAD (1999) constitudo apenas por uma serpentina de

resfriamento e desumidificao e outra de aquecimento, ativada somente quando

necessrio.

Figura 2.4 DOAS com serpentina de resfriamento e desumidificao.

12

BESANT e SIMONSON (2000) estudam a utilizao de rodas entlpicas

como dispositivos de recuperao de energia Ar-Ar (air-to-air) para o pr-

tratamento do ar exterior. A pesquisa mostra que o emprego desta tecnologia

pode levar a significantes redues no custo de implantao e consumo de

energia alm da reduo da carga de ventilao de aquecimento e climatizao

em torno de 80% e 40%, respectivamente, para uma roda entlpica utilizada em

Chicago (EUA).

GATLEY (2000) introduz a possibilidade de integrao das unidades

DOA com outras tecnologias de desumidificao tais como a roda entlpica (ou

roda dessecante passiva), roda dessecante (ativa) e at mesmo serpentinas de

aquecimento que aproveitam fontes de calor desperdiadas. O autor tambm

conclui que quanto mais o estado do ar externo tender para o quente e mido,

maior o potencial de economia de energia justificando o emprego destas

tecnologias, conforme visto na Figura 2.5.

Figura 2.5 Potencial de economia com a roda entlpica (adaptado de GATLEY, 2000).

0

1

2

3

4

5

6

7

36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Capacidade (TR)

Entalpia do ar externo

com roda entlpica Sem roda entlpica

13

Outro trabalho de GATLEY (2000) relaciona as principais caractersticas

de rodas dessecantes passivas e ativas aplicadas em unidades DOA tais como

aspectos construtivos, faixa de rotao, temperatura mxima do rotor, perda de

carga e vida til. Neste estudo, o autor restringe o uso da roda entlpica para

situaes em que se deseja transferir calor sensvel e latente de uma corrente de

ar para outra ao passo que a roda dessecante deve ser utilizada quando o objetivo

seja remover o teor de vapor dgua (umidade) em uma corrente de ar, ou seja,

reduzir sua carga latente.

Em 2001, MUMMA. S.A. publicou uma srie de artigos atravs da

ASHRAE Journals e ASHRAE Transactions referentes aos sistemas de ar externo

dedicado e seu impacto na qualidade do ar interior em espaos climatizados. A

seguir, encontram-se os artigos mais relevantes para o presente trabalho.

MUMMA (2001) fez uma reviso acerca da integrao de unidades de

ar externo dedicado em paralelo a unidades terminais de climatizao. MUMMA

(2001) faz uma observao geral sobre a temperatura de insuflamento do ar de

ventilao o qual dever compreender a faixa entre 7C e 24C. Esta faixa de

temperaturas permite acomodar de 0% a 30% da carga sensvel do recinto atravs

do condicionamento do ar externo.

SHANK e MUMMA (2001) avaliaram diferentes temperaturas de

insuflamento de unidades dedicadas ventilao confrontando a prtica vigente

de selecionar temperaturas prximas a do recinto (temperatura neutra) e

desenvolveram uma metodologia priorizando a reduo de consumo de energia.

Os autores concluram que a temperatura de insuflamento do DOAS no deve ser

superior a 13C e recomendam para a temperatura de ponto de orvalho qualquer

14

que seja desde que garanta suprir toda a carga latente do recinto, geralmente

prximo de 7C. Outra observao de SHANK e MUMMA (2001) que com

temperaturas entre 7C e 13C no h necessidade de reaquecimento na unidade

terminal.

Em outro trabalho de MUMMA (2001), o pr-aquecimento do ar externo

em sistemas dedicados investigado para avaliar seu impacto na qualidade do ar

interior. Nesse estudo, MUMMA (2001) sugere outro arranjo de unidades DOA as

quais contm uma serpentina de aquecimento, uma roda entlpica total (sensvel

e latente), uma serpentina de resfriamento e desumidificao e uma roda entlpica

sensvel, sendo que esta ltima s necessria quando o ar insuflado precisar de

reaquecimento (Fig. 2.6). O autor discute o desempenho de cada componente

individualmente e operando em conjunto. MUMMA (2001) conclui que os

equipamentos de recuperao de energia requeridos pela norma ASHRAE/ANSI

90.1 (1999) permitem que os DOAS atinjam elevados ndices de eficincia

energtica alm de assegurar ventilao adequada em cada zona de um edifcio.

O autor tambm afirma que esses sistemas possuem baixos custos operacionais

bem como investimentos iniciais e altamente recomenda os DOAS como melhoria

na qualidade do ar interno.

Figura 2.6 DOAS com duas rodas entlpica.

15

MUMMA (2001), em mais outro artigo, elaborou modelos matemticos e

algoritmos de controle para trs diferentes configuraes de DOAS. O primeiro era

composto por uma serpentina de resfriamento e desumidificao, outra de

aquecimento e um umidificador, a segunda possua uma serpentina para pr-

aquecimento, uma roda entlpica total seguida de uma serpentina resfriamento e

desumidificao e outra de reaquecimento, por fim, a terceira continha tambm

uma roda entlpica sensvel. Para o estudo foram utilizados os dados de um ano

tpico meteorolgico (TMY) da cidade de Atlanta (EUA) para determinar o pico de

carga trmica de projeto alm do consumo energtico anual. A simulao usou

3744 horas por ano da ocupao e 4719 l/s de ar externo. Baseado nos resultados

da simulao, MUMMA (2001) afirma que a melhor configurao para um DOAS

a terceira opo, com duas rodas entlpicas sendo uma total e outra sensvel.

MUMMA (2003) analisou profundamente os sistemas de ar externo

dedicado com total recuperao de energia (TER Total Energy Recovery) e

constata que a variao da capacidade do sistema em carga parcial com a roda

entlpica de 75% a 100% ao passo que, sem TER, a capacidade da serpentina

varia de 0% a 100%. MUMMA (2003) exemplifica um sistema com 155kW e

4720l/s de OA, quando utilizado TER, h uma reduo de 46% na carga da

serpentina e a consumo anual de energia requerida para desumidificar o ar

externo reduz 2%.

BOLLIGER (2003) sugere o artifcio de desviar o ar de retorno inclume

serpentina para o reaquecimento do ar em substituio ao banco de resistncias

empregado nos sistemas convencionais. Seu estudo mostra que a implementao

do desvio do ar de retorno pode reduzir em at 75% do consumo de energia

16

eltrica do sistema convencional durante o vero e o inverno, entretanto, em

ambos os perodos, esta variao sofre forte influncia sobre oscilaes da carga

trmica interna podendo reduzir a eficincia do modelo proposto.

SUBRAMANYAM et al (2004) estudaram a aplicao de rodas

dessecantes no controle de umidade em sistemas de ar condicionado como uma

alternativa ao reaquecimento. Em seu artigo, uma roda dessecante integrada ao

sistema de compresso de vapor estudada em vrias vazes de ar para avaliar

sua performance e compar-lo como o convencional usando o reaquecimento. Os

autores constatam que o modelo proposto pode atingir o dobro do COP do

sistema convencional e que a roda dessecante uma boa alternativa para o

reaquecimento convencional, pois, alm de aquecer e desumidificar, a energia

requerida para aquecimento pode ser controlada pela vazo de insuflamento (Fig.

2.7).

Figura 2.7 Variao da transferncia de calor sensvel/reaquecimento em relao a vazo de ar (adaptado de SUBRAMANYAM et al, 2004).

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

250 350 450 550 650 750

Transferncia de calor sensvel

(kW)

Vazo (m/h)

Dessecante Reaquecimento

17

MAZZEI et al (2004) consideram que a desumidificao a chave para

os sistemas de ar condicionado destinados ao conforto trmico. A partir desta

considerao, os autores avaliam diversos arranjos hbridos assistidos por rotores

dessecantes em conjunto com sistemas evaporativos e de compresso a vapor.

As simulaes dos modelos hbridos com rodas dessecantes mostraram notria

economia nos custos de operao e implantao (estimada entre 23% e 38%),

reduo do consumo de energia eltrica (entre 44% e 50%) alm de um melhor

controle de umidade.

SAND e FISHER (2005) analisaram a integrao de um mdulo

dessecante ativo (ADM) dedicado ao ar externo com uma unidade rooftop

convencional. Com uma simulao energtica simplificada a simulao mostrou

que o custo operacional do sistema hbrido pode chegar at 45% menos que o

convencional e exclui a necessidade de reaquecimento.

LIU et al (2007) integram uma unidade DOA com roda dessecante em

paralelo ao sistema de compresso a vapor. Para isso, os autores estabelecem

um modelo de consumo energtico para o sistema hbrido. Os resultados

indicaram que comparado ao DOAS convencional (com apenas serpentina de

resfriamento e desumidificao e outra de aquecimento), possvel economizar

energia com o DOAS sugerido quando so utilizados tanto energia solar quanto

gs natural no processo de regenerao. E ainda, quanto menor for a vazo de

regenerao menor o consumo (6.6% a menos), do contrrio o DOAS hibrdo

consome 22% a mais que o convencional.

MUMMA (2007) tambm simula modelos de DOAS com elementos

dessecantes passivos e ativos com todos os modelos estudados anteriormente.

18

So quantificadas e avaliadas pelo autor, a variao anual do custo operacional, o

nmero de horas necessrias para o controle de umidade e o custo anual de

energia, e mostra que os melhores arranjos de unidades DOA so com roda

entlpica e serpentina. O modelo com componente desumidificante passivo

tambm mostrou um desempenho prximo ao sistema citado anteriormente sendo

tambm recomendado pelo autor.

As configuraes de DOAS em srie ou paralelo so comparadas por

MUMMA (2008) para avaliar qual dos arranjos apresentaria melhor desempenho

em conjunto com uma unidade fan-coil. Sua constatao foi de que a configurao

em paralelo reduz o tamanho da unidade fan-coil em 33% assim como o consumo

do seu ventilador.

No artigo de YU et al (2009), os autores fazem uma reviso sobre

pesquisa acerca de sistemas de ar condicionado e o controle da qualidade do ar

interno para sade humana. O trabalho cita que os sistemas de ar externo

dedicados, alm de fazerem o controle independente de temperatura e umidade,

asseguram que a serpentina da unidade terminal trabalhe na condio seca

eliminando o risco de proliferao de fungos e bactrias, e economizam energia.

NBREGA e BRUM (2010) propem um modelo hbrido composto por

rodas dessecantes e resfriador evaporativo dedicados ao pr-tratamento do ar de

mistura (ar externo com recirculado) como uma alternativa ao sistema

convencional com reaquecimento. Os autores afirmam que a temperatura de

insuflamento um parmetro chave, pois, no sistema hbrido em questo,

costuma ser excessivamente prximo a condio de conforto do recinto, como

consequncia, so necessrias altas vazes de ar para combater a carga trmica.

19

Por utilizarem uma roda dessecante ativa, necessria uma fonte de energia para

o processo de regenerao onde sugerida a utilizao de fontes menos nobres

que a eltrica como coletores solares e queima de gs natural.

LEE et al (2012), em seu estudo, compara o desempenho e o potencial

de reduo de consumo de energia de DOAS e sistemas vazo constante com ou

sem reaquecimento em uma simulao hora-a-hora. Foi observado que, em

comparao ao sistema convencional, o DOAS economiza muito mais energia

para as bombas devido reduo da vazo de gua gelada necessria de 50% a

10,1% e o custo anual de energia em 54%.

LING et al (2013) simulam DOAS auxiliados por rodas dessecantes

ativas operando em conjunto com resfriamento evaporativo, roda entlpica

sensvel e total. Seus resultados mostram que o resfriamento evaporativo melhora

o COP do sistema de 7% a 14% e as rodas entlpicas de 39% a 40%. Tambm

observado que a roda entlpica eficaz em conjunto com unidades DOA

assistidas por rodas dessecantes, no s por reduzir a capacidade requerida no

ciclo de compresso a vapor, mas por minimizar a energia requerida no processo

de regenerao do rotor dessecante.

20

3 DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS

PARA RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO DO AR

Com o objetivo de ter em mos uma ferramenta til para comparar as

serpentinas de resfriamento requeridas em cada sistema analisado nos prximos

captulos, ser mostrado um modelo simples baseado nas metodologias de

JONES (2005) e THRELKELD et al (1998) para estimar seus principais

parmetros de operao, tais como, a superfcie total coeficiente global de troca

trmica. Aps apresentado o modelo, um algoritmo computacional ser

implementado em linguagem FORTRAN.

3.1 CARACTERSTICAS DE SERPENTINAS DE RESFRIAMENTO E

DESUMIDIFICAO

Serpentinas so trocadores de calor de contato indireto, onde a energia

transferida sob forma de calor entre dois meios (tais como, gua, refrigerantes,

vapor, etc), com o propsito de aquecer, resfriar, desumidificar ou uma

combinao destes processos (WANG, 2001) e consistem de tubos e aletas

externas dispostas em linha ao longo do fluxo de ar para promover a maior rea

de contato possvel.

Existem vrios tipos de serpentinas tais como; a de expanso direta,

aquecimento, de aquecimento com vapor, de aquecimento com gua e de

resfriamento com gua gelada. Esta ltima utiliza gua como fluido refrigerante

21

para resfriar ou resfriar e desumidificar o ar que escoa pela superfcie externa dos

tubos e aletas. Comumente, para manter uma elevada taxa de transferncia de

calor, o ar e gua esto disposto no arranjo contra-fluxo.

Os tubos so geralmente feitos de cobre com dimetro entre 13 a 16

mm com espessura de 0,25 a 0,50mm, espaados longitudinalmente entre 19 e 31

mm e transversalmente entre 25 a 38 mm, podendo ser configurados em 2, 3, 4, 6

ou 8 fileiras (rows). A Fig. 3.1 ilustra uma serpentina de resfriamento a base de

gua gelada.

Figura 3.1 Serpentina de resfriamento e desumidificao.

J as aletas normalmente possuem uma espessura de 0,13 a 0,2 mm,

podendo ser feitas de ao, ao inoxidvel e cobre sendo este ltimo geralmente o

mais empregado. As serpentinas utilizadas em sistemas de condicionamento de ar

devem possuir uma densidade de aletas em torno de 8 a 18 aletas/polegada. Por

22

se tratarem de serpentinas midas, h uma bandeja de recolhimento de

condensado que feito por gravidade.

3.2 PROCESSO DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO EM

SERPENTINAS ALETADAS

A condensao do vapor dgua ocorre quando o ar mido resfriado

a uma temperatura abaixo de seu ponto de orvalho inicial, embora, quantidades de

gua possam ser removidas em vrias faixas de temperatura entre o ponto de

orvalho inicial e a temperatura de saturao final (ASHRAE Fundamentals 2009).

Termodinamicamente, h um decrscimo na temperatura e no teor de vapor

dgua da corrente ar mido, ou seja, uma reduo nas parcelas sensvel e latente

da energia contida em sua massa.

Figura 3.2 Processo de resfriamento e desumidificao.

23

A Figura 3.2 ilustra este processo, considerando que, uma corrente de

uma temperatura e razo de umidade elevada vai do ponto RA ao ponto LA, que

mais frio e seco.

3.3 TRANSFERNCIA DE CALOR E MASSA EM SERPENTINAS ALETADAS

De acordo com JONES (2005), o processo de transmisso de calor

para uma serpentina de resfriamento envolvem as seguintes etapas: o fluxo de

calor da corrente de ar transferido para a parede externa das aletas e tubos, em

seguida, passa atravs da parede de material metlico at a camada interna, da,

para a pelcula do fluido refrigerante.

Em geral, a desumidificao ocorre simultaneamente ao

resfriamento, desta forma, o comportamento da serpentina no pode ser descrito

em termos simples. Uma abordagem aproximada, adotada por alguns fabricantes,

constitui-se de estabelecer um valor para o coeficiente global de troca trmica (U

em W/g-K), para a serpentina onde se d um acrscimo para compensar o fluxo

de calor extra em virtude da condensao. A quantidade total de calor transferida

(CTH em kW) dada por:

= . . ( !)# (3.1)

24

onde At [m] a rea total de troca trmica da serpentina e (LMTD)aw [C] a

diferena de temperatura mdia logartmica entre o ar e gua do interior dos tubos

dada pela expresso que se segue.

=

)(

)(ln

)()()(

EWLA

LWEA

EWLALWEAaw

TT

TT

TTTTLMTD (3.2)

onde TEA [C], TLA [C], TEW [C] e TLW [C] so respectivamente as temperaturas

de entrada e sada de ar e entrada e sada de gua gelada.

A quantidade de calor sensvel transferida atravs da serpentina (CSH

em kW) tambm pode ser aproximada em termos da resistncia trmica do filme

de ar na superfcie externa (Ra em mk/W) e da diferena logartmica mdia de

temperatura entre a corrente de ar e a temperatura mdia da superfcie externa da

serpentina ( (LMTD)as em C) conforme visto na Eq.(3.1).

atas RALMTDCSH /.)(= (3.3)

onde,

=

)(

)(ln

)()()(

smLA

smEA

smLAsmEAas

TT

TT

TTTTLMTD (3.4)

Sendo Tsm [C] a temperatura mdia da superfcie externa da

serpentina. Uma vez conhecidas as quantidades de calor total e sensvel

25

removidos do ar pela serpentina, uma expresso para o fator de calor sensvel

(CSHF) pode ser escrita.

CTH

CSHCSHF = (3.5)

O coeficiente global de troca trmica (U) est inversamente relacionado

com as resistncias trmicas do filme de ar (Ra), dos tubos (Rtb), das aletas (Rf) e

do filme de gua escoando dentro dos tubos (Rw), e expresso pela equao

abaixo.

i

twftbaA

ARRSRRU +++=/1 (3.6)

onde Ai [m] corresponde a rea interna.

A resistncia trmica do filme de ar (Ra) tomada como o inverso do

coeficiente de conveco do ar ha que depende principalmente do fluxo de massa

da corrente de ar. McADAMS (1954) apud JONES (2005) desenvolveu uma

expresso para ha, considerando uma serpentina com a configurao de tubos

tranados e densidade de 316 aletas por metro (8 por polegada) observada na

Eq.(3.7).

8,0)(42,27

11

Fa

auh

R == (3.7)

26

sendo $% a velocidade de face do ar passando atravs da serpentina em m/s.

Caso a serpentina esteja apenas parcialmente mida, ento, haver

dois valores para U; um usando CSHF(Ra) na Eq. (3.6) referente a parte molhada

e outro usando apenas Ra referente a parte seca. A determinao da fronteira

entre as reas seca e mida no direta, mas h mtodos disponveis nos

Handbooks da ASHRAE e nas normas da AHRI (Air Conditioning, Heating and

Refrigeration Institute).

JONES (2005) atravs da AHRI (1991) adota a Eq.(3.8) como uma

relao para a resistncia trmica das aletas.

)(1

CSHFRR af

=

(3.8)

A presena do fator de calor sensvel da serpentina ressalta que a Eq.

(3.8) referente a serpentinas que operam midas sendo a eficcia da

superfcie total e definida por:

( )tpf AAA /+= (3.9)

sendo Af [m] a rea total das aletas, Ap [m] a rea total externa dos tubos e a

eficincia das aletas. Para aletas planas, a eficincia parece ser virtualmente

independente da velocidade de face ou espaamento das aletas, por outro lado, o

27

nmero de fileiras (rows), espessura da aleta e espaamento dos tubos afetam

significativamente seu valor, conforme observado na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 Eficincia aproximada de aletas planas para vrios nmeros de fileiras.

Espaamento Espessura das Material Eficincia das aletas para vrios n de fileiras

dos tubos [mm] aletas [mm] da aleta 2 4 6 8

37,50 0,15 Al 0,56 0,83 0,95 0,99

50,00 0,15 Al 0,42 0,73 0,90 0,95

37,50 0,42 Al 0,77 0,92 0,98 0,99

50,00 0,42 Al 0,66 0,87 0,95 0,97

37,50 0,15 Cu - 0,92 0,97 -

50,00 0,15 Cu - 0,84 0,94 -

37,50 0,42 Cu - 0,96 0,99 -

50,00 0,42 Cu - 0,94 0,98 -

A Tabela 3.1 baseada na AHRI (1991), para aletas planas, velocidade

de face 2,5m/s e tubos de 15mm de dimetro externo. A reduo na eficincia da

aleta pode ocorrer em funo do aumento do dimetro dos tubos ou do incremento

carga trmica latente (McQUISTON et al,2005).

A resistncia trmica dos tubos referente rea total externa dada

por McADAMS (1954) apud JONES (2005) como:

=

i

e

tb

e

i

ttb

d

dd

A

AR ln

2 (3.10)

sendo de e di, em m, respectivamente os dimetros externo e interno dos tubos,

tb [W/mK] a condutividade trmica do material dos tubos.

28

E, por fim, a resistncia trmica da pelcula de gua no interior dos

tubos, para temperaturas entre 4,4C a 100C pode ser obtida pela equao

simplificada da ARI (1991).

( )[ ]8,02.0

9,201429 wwm

iw

uT

dR

+= (3.11)

No qual Twm [C] corresponde temperatura mdia da gua, uw [m/s] a

velocidade mdia da gua no interior dos tubos.

Desta forma, pode-se calcular os valores do coeficiente global de troca

trmica (U) e fazer uma estimativa aproximada da temperatura de gua gelada

capaz de atender uma determinada carga.

3.4 IMPLEMENTAO DE UMA FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA

DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS

Para avaliar o porte das serpentinas de cada sistema analisado

posteriormente foi necessrio desenvolver um cdigo computacional em

linguagem FORTRAN. O programa usa o modelo exposto na sesso anterior e

determina, principalmente, todas as reas de troca trmica, nmero de rows,

eficincia, eficcia, coeficiente global de troca trmica e os parmetros da gua

gelada necessria para atender a capacidade exigida. Para tal, utiliza-se como

dados de entrada os seguintes parmetros:

29

Condies do ar na entrada e sada da serpentina;

Vazo de ar a ser tratada;

Alguns dados geomtricos;

E a diferena de temperatura da gua gelada;

O cdigo funciona calculando, primeiramente, a capacidade de

resfriamento da serpentina a partir das temperaturas de bulbo seco e razo de

umidade do ar atravs da equao (3.12).

CLHCSHCTH += (3.12)

Ambos, calor sensvel (CSH) e latente (CLH), podem ser determinados

em funo das equaes (3.13a) e (3.13b).

ar

LAEApar

v

TTcVCSH

)( =

&

(3.13a)

ar

LAEAoar

v

wwhVCSL

)( =

&

(3.13b)

Sendo &' , o calor especfico a presso constante adotado como

1,006kJ/kg, (, o calor de vaporizao da gua adotado como 2501,3kJ/kg, e )#*,

o volume especfico do ar em m/kg. Uma vez conhecidas as cargas sensvel e

total o fator de calor sensvel da serpentina pode ser encontrado.

30

A velocidade de face um dado a ser fornecido ao programa e sua

escolha depende da densidade de aletas (nmero de aletas por metro). Jones

(2005), atravs de anlises e recomendaes de fabricantes, sugere valores para

a velocidade de face (Tab. 3.2) e ressalta que estas no devem ser excedidas

sem a utilizao de dispositivos de desumidificao quando o fator de calor

sensvel for inferior a 0,65.

Tabela 3.2 Velocidade de face recomendada em funo do nmero de aletas por metro.

N de aletas por metro Velocidade de face mxima [m/s]

316 2,50

394

2,20

476 2,10

Com a velocidade de face, possvel determinar a resistncia trmica

do filme de ar e em seguida a rea total de troca trmica pela aproximao da Eq.

(3.3). A diferena logartmica mdia do lado ar, descrita na Eq. (3.4), est em

funo da temperatura mdia da superfcie da serpentina. Neste modelo + um

parmetro conhecido resultante da simulao de cada sistema proposto tendo seu

valor adotado como igual ao da temperatura de ponto de orvalho da serpentina

(TADP).

O nmero de fileiras (,*) determinado em funo da rea de total de

troca trmica e parmetros geomtricos tais como; rea de face (AF), espessura

da aleta (f), nmero de aletas por metro (), comprimento da serpentina (L), altura

da serpentina (b), espaamento dos tubos (e) e do dimetro externo dos tubos

(-.). A Eq. (3.14) mostra como estes parmetros esto relacionados.

31

[ ]

++

=

)1()()(42

2

22

fe

Addbbfe

e

L

fAAn

Fee

Ftr (3.14)

A espessura da serpentina (a), o nmero total de aletas (nf), o nmero

total de tubos por row (nt/r) e nmero total de tubos (nt) podem ser obtidos,

respectivamente, pelas equaes (3.15), (3.16), (3.17) e (3.18).

rena = (3.15)

Ln f = (3.16)

ebn rt // = (3.17)

rtrt nnn /= (3.18)

A rea total das aletas (Af), a rea total dos tubos (Ap) e a rea total

interna (Ai) podem ser determinado por:

( )[ ]

++=e

dbnbfbfaLA erf

2

)(2

2

(3.19)

tep nfLdA )1( = (3.20)

tii nLdA = (3.21)

32

Tendo em vista que o nmero de fileiras obtido pela Eq.(3.14) pode ser

um valor fracionado, nr deve ser arredondado para cima. Como consequncia

disso, a rea total de troca trmica deve ser recalculada utilizando a Eq.(3.22).

pft AAA += (3.22)

A metodologia de THRELKELD et al (1998) para determinao da

eficincia da serpentina () foi incorporada ao modelo de JONES (2005) para

tornar o programa computacional mais independente de informaes do usurio,

pois Jones utiliza esta varivel como dado inicial.

THRELKELD et al (1998) mostram uma expresso para a eficincia de

aletas circulares (equao 3.23) ilustradas na Fig. (3.3) e plotada na Fig. (3.4).

J

J

)tanh(

= (3.23)

Figura 3.3 Ilustrao de aletas circulares de espessura uniforme em corte.

33

Figura 3.4 Eficincia de aletas circulares (Adaptado de THRELKELD et al, 1998).

A Figura 3.3 esquematiza uma aleta circular, onde r1 e r2 correspondem

ao raio interno e externo da aleta sendo J a sua diferena.

Como no possvel obter uma soluo matemtica exata para as

aletas retangulares planas, THRELKELD et al (1998) afirmam que uma

aproximao pode ser feita assumindo que uma aleta retangular equivalente em

desempenho a uma aleta circular desde que tenham a mesma rea. Da uma

relao para r2 pode ser feita a partir da equao abaixo.

e

r =2 (3.24)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 1 2 3 4 5

Eficincia da aleta

J

34

Na equao 3.23, uma simplificao algbrica definida

principalmente pelo coeficiente de pelcula da gua na superfcie externa (/(,) e

pela condutividade trmica do filme de gua condensada (kw) em serpentinas

midas, mostrada a seguir.

fkw

wo,2 = (3.25)

e,

1

,

+=

w

w

aw

p

wok

y

RB

c

(3.26)

Na equao acima, yw a espessura do filme de material condensado.

THRELKELD et al (1998) afirma a espessura da pelcula de condensado no

influencia na preciso dos resultados finais e, portanto, foi adotado 1,27x10-4m,

observado nos exemplos e exerccios de sua obra.

Bw taxa aplicada temperatura do filme de condensado (Tw).

THRELKELD et al (1998) disponibiliza em seu livro Thermal Environmental

Engineering uma figura mostrando o comportamento de sua curva. BARBOSA

(2011) fez um ajuste desse grfico (Figura 3.5) e, aproveitando que est

disponvel em unidades SI, ser adotado neste trabalho (Equao 3.27).

35

Figura 3.5 Curva ajustada da taxa = (Adaptado de Barbosa, 2011).

20025,00149,01732,1 www TTB += (3.27)

3.4.1 Fluxograma funcionamento

Dada a metodologia apresentada, um fluxograma de processos mostra

o funcionamento e as tarefas executadas pela rotina em FORTRAN.

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40

Bw (kJ/kg-C)

Tsat (C)

36

Incio

Dados iniciais:-Propriedades do ar;-Velocidade de face;

-Comprimento da serpentina;-Dimetro dos tubos;-Espessura das aletas;

-N de aletas por metro;Espaamento dos tubos;

Calcula presso e volume especfico

do ar;

Calcula a rea de face e altura da

serpentina;

Calcula CTH, CSH, CLH e CSHF;

Calcula resistncia trmica do filme de

ar;

Calcula (LMDT) do lado ar;

Calcula a rea total de troca trmica;

Determina:-N de rows;

-N total de aletas;-N total de tubos;

-Total de tubos/row;-rea total das aletas;-rea total dos tubos;

-rea total interna-Recalcula rea total externa;

Faz a equivalncia das aletas

retangulares com as circulares;

Calcula a eficincia das aletas;

Calcula a taxa Bw;

Calcula a Resistncia trmica

das aletas;

Calcula a vazo de mssica de gua

gelada;

Calcula resistncia trmica do filme de gua no interior dos

tubos;

Calcula a velocidade mdia da gua no interior dos tubos;

Calcula a Resistncia trmica

dos tubos;

Determina o coeficiente global

de troca trmica da serpentina;

Determina as temperaturas de

entrada e sada da gua;

Imprime resultado

Fim

Figura 3.6 Algoritmo para dimensionamento de serpentinas aletadas.

37

3.4.2 Validao do programa

Para a validao do cdigo computacional foram utilizadas duas

simulaes de dimensionamentos encontrados na literatura. A primeira compara

com um exemplo proposto no livro Air Conditioning Engineering de JONES

(2005). A segunda compara com o dimensionamento feito no estudo de

MANSOUR e HASSAB (2012) pela aproximao numrica de uma tcnica

discreta conhecida como row-by-row method. Os dados iniciais e os resultados

das simulaes se encontram, respectivamente, nas Tabelas (3.3) e (3.4).

Tabela 3.3 Dados iniciais para dimensionamento de serpentinas.

DADOS INICIAIS JONES MANSOUR et al.

Temperatura do ar na entrada da serpentina [C] 28 26

Temperatura do ar na sada da serpentina [C] 12 11,14

Umidade espec. do ar na entrada da serpentina [g/kg] 10,65 11

Umidade espec. do ar na sada da serpentina [g/kg] 8,062 8,1

Diferencial de temperatura da gua [C] 5,5 5

Temperatura mdia da superfcie da serpentina [C] 10,35 8,65

Vazo de ar a ser tratado [m/s] 4,75 2,38

Velocidade de face [m/s] 2,64 2,8

Comprimento da serpentina [m] 1,5 1,4

Espaamento entre os tubos (passo) [m] 0,0375 0,03175

Espessura das aletas [m] 0,00042 0,00015

Dimetro externo dos tubos [m] 0,015 0,01341

Dimetro interno dos tubos [m] 0,0136 0,01209

Nmero de aletas por metro de tubo 316 554

38

Tabela 3.4 Resultado das simulaes para validao do cdigo FORTRAN.

PARMETRO JONES Este

Trabalho DESVIO

MANSOUR et al

Este Trabalho

DESVIO

Capacidade [kW] 125,7 123,24 -1,96% 60 61,13 1,88%

Calor sensvel [kW] 90,4 87,74 -2,94% 40 41,08 2,70%

Calor latente [kW] 35,3 35,5 0,57% 20 20,05 0,25%

CSHF 0,72 0,712 -1,11% 0,67 0,672 0,30%

Altura [m] 1,2 1,2 0,00% 0,635 0,61 -3,94%

Espessura [m] 0,225 0,225 0,00% 0,2 0,191 -4,50%

rea de face [m] 1,8 1,799 -0,06% 0,85 0,85 0,00%

Nmero de fileiras 6 6 0,00% 6 6 0,00%

N tubos/fileira 32 32 0,00% 20 20 0,00%

N total de aletas 474 474 0,00% 776 776 0,00%

N total de tubos 192 192 0,00% 120 120 0,00%

rea interna [m] 12,3 12,305 0,04% 6,363 6,381 0,28%

rea total aletas [m] 224,3 224,268 -0,01% - 154,461 -

rea total tubos [m] 11,76 11,77 0,09% - 6,489 -

rea total [m] 236,1 236,039 -0,03% 146,34 160,951 9,98%

Eficincia 0,98 0,98 0,00% 0,85 0,85 0,00%

Eficcia 0,98 0,98 0,00% - 0,85 -

Ra [mK/W] 0,01207 0,011943 -1,05% - 0,010754 -

Rf [mK/W] 0,000246 0,000244 -0,81% - 0,000109 -

Rtb [mK/W] 3,62E-05 0,0000361 -0,28% - 0,000045 -

Rw [mK/W] 0,004358 0,004432 1,70% - 0,005163 -

U global [W/mK] 59,8 60,043 0,41% - 62,225 -

TEW [oC] 7,3 7,52 3,01% 6 6,05 0,83%

TLW [oC] 12,8 13,02 1,72% 11 11,05 0,45%

[kg/s] 5,454 5,348 -1,94% 2,9 2,918 0,62% uw [m/s] 1,174 1,15 -2,04% 1,25 1,271 1,68%

Como pode ser observado pela Tabela 3.4, no h desvios

significativos na primeira simulao. O erro relativo mximo ocorrido foi de

aproximadamente de 3% para a temperatura de sada da gua gelada. Isso se

deve pelo fato de o autor utilizar um o volume especfico constante no clculo da

capacidade de resfriamento da serpentina e tomar a eficincia das aletas a partir

de tabelas. Ambos os parmetros influenciam diretamente no coeficiente global de

troca trmica e, consequentemente, nas temperaturas de gua gelada.

39

Na segunda simulao, o desvio mximo observado referente rea

total de troca trmica sendo prximo de 10%. Possivelmente, essa diferena se

deve ao clculo indireto dessa varivel em funo da rea interna total.

MANSOUR e HASSAB (2012) utilizam como parmetro de entrada a razo entre a

rea total externa e a interna igual a 1 =23m/m, entretanto, o cdigo

FORTRAN estima a em funo do nmero de fileiras, de modo que, a relao

citada tambm fica aproximadamente 10% maior (25,22m/m no FORTRAN)

gerando a divergncia ocorrida.

40

4 PSICROMETRIA EM SISTEMAS DE AR

CONDICIONADO

Neste trabalho sero analisados diferentes arranjos de sistemas de ar

externo dedicado operando em paralelo a unidades terminais em ciclos de

compresso de vapor, ou seja, atravs dos processos psicromtricos realizados

no lado ar.

Primeiramente, ser modelado um sistema convencional que constituir

a linha base para a comparao dos demais sistemas. Em seguida, ser

implementado no sistema convencional um desvio do ar no retorno realizado por

meio de registros de vazo (Dampers) criando uma corrente inclume adicional e

controlada. Depois, o mais simples dos DOAS, constitudo apenas por uma

serpentina de resfriamento e desumidificao (DOAS CC+TU). Outro DOAS ser

analisado e, alm da serpentina, possuir um dispositivo de recuperao de calor

que, neste estudo, ser uma roda entlpica (DOAS HW+CC+TU). Por ltimo, ser

avaliado um DOAS com uma roda dessecante ativa integrada e dedicada

desumidificao do ar externo (DOAS HW+DW+CC+TU).

Os modelos descritos nas prximas sees sero simulados por anlise

numrica em linguagem FORTRAN para um dia tpico de cada ms com dados

TMY (Typical Meteorological Year Ano Meteorolgico Tpico, em portugus).

41

4.1 SISTEMA CONVENCIONAL

O arranjo tpico de um sistema de condicionamento de ar est exposto

na Fig. (4.1). O modelo tradicional, o qual amplamente encontrado em

equipamentos de mercado, comumente constitudo por uma serpentina de

resfriamento (CC) e por um dispositivo de aquecimento ativado apenas quando

necessrio.

O tipo do dispositivo de aquecimento depende da fonte de energia

disponvel podendo ser composta por um banco de resistncias eltricas (BRE),

mais comum, ou por um trocador de calor direto/indireto (HC) com queima de gs

(GLP ou GN), ou ainda por rejeitos energticos de outros sistemas.

Figura 4.1 Diagrama esquemtico do sistema convencional pelo lado ar.

Este modelo parte do princpio de que uma parcela da vazo total de ar

seja recirculada (RA) aps as trocas trmicas com o recinto. Devido ao sistema

42

operar em ciclos, fatalmente, o ar recirculado ficar contaminado, seja por agentes

qumicos (CO e CO2) ou biolgicos (vrus, fungos e bactrias). Da, para minimizar

este efeito, deve-se introduzir uma determinada quantidade de ar externo (OA), ou

de higienizao, em recintos climatizados em funo da rea e concentrao de

pessoas (ANVISA, 1998).

Na caixa de mistura, as correntes de ar de retorno e externa se

encontram e misturam-se compondo o estado EA que atravessa a serpentina

sendo resfriado, desumidificado e em seguida insuflado para o recinto novamente,

repetindo o ciclo.

De acordo com CARRIER (1966) e McQUISTON et al (2005) apenas

uma parte do ar que atravessa o evaporador do sistema insuflada na mesma

temperatura da superfcie da serpentina (apparatus dew-point temperature), a

outra deixa o equipamento na mesma condio de entrada, ou seja, desviada

inclume, sem realizar transferncia de energia.

Esta parcela inclume proporcional ao que CARRIER (1966)

denominou de fator de desvio (BF), ou fator de desvio, um adimensional de

carter energtico. Em seu trabalho mostrou trs relaes equivalentes a partir da

entalpia, temperatura ou razo de umidade, conforme a Eq. (4.1).

ADPEA

ADPLA

ADPEA

ADPLA

ADPEA

ADPLA

ww

ww

hh

hh

TT

TTBF

=

=

= (4.1)

Fontes como JONES (2005), McQUISTON et al (2005), THRELKELD

et al (1998), MANSOUR e HASSAB (2012), tambm apontam outras influncias

43

sob o fator de desvio relacionadas geometria da serpentina, tais como, o nmero

de aletas por metro linear, nmero de fileiras, espaamento dos tubos e a

velocidade de face. A Tab. (4.1) mostra vrias faixas de valores para o fator de

desvio em diversos tipos de aplicao considerando as caractersticas da carga

trmica do recinto (a relao de calor latente e sensvel).

Tabela 4.1 Fator de desvio (BF) tpico para diversas aplicaes (Fonte: Handbook of Air Conditioning System Design).

BF Aplicao Exemplo

0,30 a 0,50 Carga trmica baixa ou carga um pouco maior, mas

com baixo fator de calor sensvel (calor latente alto). Residncias.

0,20 a 0,30

Aplicao tpica para conforto com uma carga trmica

relativamente pequena ou baixo fator de calor sensvel

com uma carga um pouco maior.

Residncia, pequenas

lojas de varejo, Fbricas.

0,10 a 0,20 Aplicao tpica para conforto. Lojas de departamento,

Bancos, Fbricas.

0,05 a 0,10

Aplicaes com alto calor sensvel interno ou que

requerem uma grande quantidade de ar externo para

ventilao.

Lojas de departamento,

restaurantes, Fbricas.

0 a 0.10 Para 100% de renovao do ar interno. Sala de operaes,

Fbricas.

Outra relao importante o fator de calor sensvel, que a razo entre

o calor sensvel e o total e pode ser determinada de maneira semelhante

Eq.(3.5) tanto para a serpentina (CSHF) quanto ao recinto (RSHF fator de calor

sensvel do recinto) ou para o sistema (ESHF fator de calor sensvel efetivo). Na

anlise psicromtrica a representao grfica do fator de calor sensvel indica se

44

uma determinada carga trmica possui muito ou pouca carga latente, em outras

palavras, quanto maior for SHF, menor sua parcela latente.

Conforme observado no trabalho de CARRIER (1966), fator de calor

sensvel determina como deve ser feita a modelagem do sistema. Neste estudo

sero abordadas apenas as situaes com baixa ou alta carga latente.

4.1.1 Sistema convencional com baixa ou moderada carga latente

a aplicao onde a curva ESHF possui inclinao moderada e cruza a

linha de saturao do ar conforme observado na carta psicromtrica da Figura 4.2.

Figura 4.2 Processos psicromtricos do sistema convencional com carga latente baixa ou moderada.

45

Uma vez possvel determinar o ponto ADP, todo o sistema acoplado

pode ser resolvido analiticamente.

Tendo em base o diagrama exibido pela Fig. 4.1, os balanos de massa

em regime permanente para o sistema so dados conforme se segue.

OARAEA mmm &&& += (4.2a)

SALAEA mmm &&& == (4.2b)

EXOA mm && = (4.2c)

Sendo a taxa de massa do ar externo, a do ar de retorno,

a do ar entrando na serpentina, a do ar saindo da serpentina e a do ar de

exausto, todas em kg/s.

A Figura 4.3 ilustra em detalhes as correntes de ar envolvidas no

balano energtico para o recinto. A corrente EA, que entra na serpentina, a

soma das parcelas RA e OA. Conforme citado anteriormente, h uma parcela de

ar em ambas as correntes que permanece inalterada, multiplicada pelo fator de

desvio (BF) e outra que sai na temperatura da superfcie da serpentina (1-BF).

Figura 4.3 Esquema das correntes de ar que entram e saem da serpentina.

=EAEAhm&RARAhm&

OAOAhm&

RARABFhm&

ADPRA hBFm )1(&

OAOABFhm&

ADPOA hBFm )1(&

PF

RTH

RARABFhm&

RARA hBFm )1( &

RAOABFhm&

RAOA hBFm )1( &

CC Recinto

46

Fazendo um balano de energia para o volume de controle que envolve

o recinto e conhecendo as igualdades das equaes 4.2, obtm-se:

RTHhhBFmhhBFm RAOAOAADPRASA += )())(1( && (4.3)

A Equao (4.3) pode ser expandida em termos de temperatura e razo

de umidade.

= &' +3( (4.4)

Deve ser observado que a parcela cpwT que corresponderia a entalpia

da gua condensada, na Eq.(4.4), muito pequena em relao a ho e, por tanto,

pode ser desprezada (McQUISTON, 2005).

Ao utilizar a Eq.(4.4), pode-se escrever dois balanos de energia, um

para o calor sensvel (Equao 4.5a) , e outra para o calor latente (Equao 4.5b).

RSHTTBFcmTTcBFm RAOApOAADPRApSA += )()()1( && (4.5a)

RLHwwBFhmwwhBFm RAOAoOAADPRAoSA += )()()1( && (4.5b)

onde RSH e RLH so, respectivamente, as cargas trmicas sensvel e latente

internas (sem a carga de ventilao), em kW.

Com as equaes (4.5a) e (4.5b), obtm-se duas expresses para o

Fator de calor sensvel efetivo (ESHF) do sistema. A primeira (equao 4.6a) leva

47

em considerao o a contribuio da carga de ventilao sob a carga interna (RTH

e RSH). A segunda (equao 4.6b) mostra as trocas trmicas entre as correntes

de ar do recinto e a saturada vinda da serpentina.

RTHwwhTTcBFm

RSHTTBFcmESHF

RAOAoRAOApOA

RAOApOA

++

+=

)]()([

)(

&

&

(4.6a)

)()(

)(

ADPRAoADPRAp

ADPRAp

wwhTTc

TTcESHF

+

= (4.6b)

Por fim, a potncia frigorfica (PF), ou capacidade, da serpentina pode

ser determinada pelo balao de energia no volume de controle na fronteira da

serpentina.

)]()()[1( ADPEAoADPEApSA wwhTTcBFmPF += & (4.7)

As expresses (4.3) a (4.7) compem as equaes de governo deste

modelo. Outros balanos pontuais podem ser feitos para auxiliar a determinao

dos demais parmetros do modelo.

48

4.1.1.1 Implementao do cdigo computacional para o sistema

convencional sem reaquecimento.

A ferramenta computacional foi elaborada em linguagem FORTRAN e

tem como objetivo determinar a capacidade (PF) e a condio de operao da

serpentina (ADP), alm de todos os estados do ar em cada ponto do ciclo.

O cdigo ter como dados de entrada a condio interna do recinto, as

condies do ar externo, a carga trmica interna e o fator de desvio.

A condio interna (RA) ser fixada em 24C de temperatura de bulbo

seco e 50% de umidade relativa, ambos adotados a partir da norma tcnica

brasileira ABNT NBR 16401. As condies externas sero obtidas a partir dos

dados TMY da base SWERA os quais variam ao longo do ano. A vazo do ar

externo tambm ser tomada a partir da norma ABNT NBR 16401, que deve

atender a portaria da ANVISA que estipula 27m/h/pessoa.

Primeiramente, calcula-se o fator de calor sensvel do recinto e as

umidades especficas do ar externo (OA) e (RA). A razo de umidade dada pela

expresso a seguir.

)(

)(622,0

TPP

TPW

sat

sat

= (4.7)

Sendo P a presso da mistura, Psat a presso de vapor saturado, ambas

em Pa. Para a determinao da presso de vapor saturado a ASHRAE

Fundamentals (2009) recomenda o uso da Eq.(4.8).

49

# = 45 6789 + : + ; + < +

50

)( SARAoSA wwhmRLH = & (4.9b)

A condio do ar entrando na serpentina determinada pela expresso

(4.1), resolvida para a temperatura EA e para a razo de umidade EA. Com o

estado EA a capacidade do sistema (PF) pode ser obtida.

4.1.1.2 Algoritmo do programa para sistema convencional sem

reaquecimento

O funcionamento do cdigo est descrito no diagrama de fluxo da

Figura (4.4).

Quando iterao de DZREAL no convergir para uma soluo, significa

que no h um TADP capaz de satisfazer a Eq.(4.6b) e, portanto, a linha de ESHF

no cruza a curva de saturao na carta psicromtrica, o que ocorre quando o

ESHF baixo, ou seja, a carga latente alta. A rotina externa tambm pode gerar

solues reais no plausveis, como por exemplo, temperaturas ADP menores que

zero.

Em ambos os casos estes dados sero simulados novamente

considerando a necessidade de aplicar o reaquecimento do ar mostrado na

prxima sesso deste trabalho.

51

Figura 4.4 Diagrama de funcionamento do programa de simulao do sistema convencional sem reaquecimento.

4.1.2 Sistema convencional com alta carga latente

Esta uma situao especial que ocorre quando ESHF no intercepta a

cura de saturao na carta psicromtrica ou quando a temperatura de ponto de

orvalho da serpentina (ADP) absurdamente baixa. Isso ocorre quando a carga

latente alta em relao a total (CARRIER, 1966).

52

Para essa situao comumente realizada a introduo de uma carga

falsa adicional ao sistema, desacoplando o conjunto de equaes do modelo

anterior. A carga falsa feita pelo aquecimento do ar insuflado no recinto, ou seja,

introduzindo calor sensvel.

Nos equipamentos encontrados no mercado, geralmente, o

reaquecimento do ar realizado por bancos de resistncias eltricas localizadas

no elemento BRE da Fig. (4.1). O reaquecimento tambm pode ser feito por

serpentinas de aquecimento que podem, ou no, usar fontes de energia

alternativas como rejeitos trmicos de ciclos de potncia.

A Figura 4.5 mostra os processos realizados nesta situao. Nota-se

que os processos realizados so os mesmos, exceto, entre os pontos LA (ar

saindo da serpentina) e SA (ar insuflado para o recinto depois de aquecido), que

mostra um processo de aquecimento sensvel.

Figura 4.5 - Processos psicromtricos do sistema convencional com carga latente alta.

53

4.1.2.1 Implementao do cdigo computacional para o sistema

convencional com reaquecimento.

A metodologia adotada para a condio reaquecimento foi mostrada por

CARRIER (1966) em Air Conditioning Handbook Design. Uma vez que a vazo

de ar insuflado no fixa, a estratgia consiste em assumir a mxima diferena de

temperatura permitida entre o ar insuflado e o recinto de modo a contrabalancear

a carga trmica latente e sensvel do ambiente interno. Assim, o critrio ser

adotar uma temperatura ADP e um ESHF, calcula