UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

ANÁLISE DA EFICÁCIA NA UTILIZAÇÃO DE CLIMATIZADOR E VAPORATIVO

PARA CONFORTO TÉRMICO

por

Carlos Eduardo Cardoso Soares Carlos Eduardo Michels

Matheus Lixinski

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Porto Alegre, Novembro de 2008

ANÁLISE DA EFICÁCIA NA UTILIZAÇÃO DE CLIMATIZADOR EVAPORATIVO PARA CONFORTO TÉRMICO – UFRGS – 2008. RESUMO

Através de experimentação buscou-se verificar a eficácia de utilizar-se um climatizador evaporativo para melhora de condições de conforto térmico em uma sala de aula. Analisou-se a influência deste climatizador nos parâmetros de temperatura e umidade relativa em uma sala completamente fechada e posteriormente em ambiente aberto, sujeito a intempéries. Os resultados demonstram que embora o controle seja restrito, bem como a aplicabilidade deste tipo de equipamento, sua utilização impõe aumento significativo da umidade relativa do ar e reduz a temperatura de bulbo seco através de troca de calor latente, melhorando assim as condições de conforto térmico da sala para as condições iniciais do ensaio. Palavras-chave: climatizador, Joape, conforto térmico, umidade relativa, temperatura

ANALISYS OF THE EFFECTIVENESS IN UTILIZATION OF A E VAPORATIVE ACCLIMATIZER FOR THERMAL COMFORT – UFRGS – 2008. ABSTRACT

Performing experimentation this project tries to verify the effectiveness of using an evaporative acclimatizer to improve thermal comfort conditions in a class room. The influence of this acclimatizer was analyzed in parameters like temperature and relative moisture in a fully closed room and later in an open ambient. This equipment shows some restrictions in control and applicability, but the results show that its imposes significant increase in air relative moisture and decreasing dry bulb temperatures though latent heat exchanges, improving the thermal comfort conditions for the room in comparison with initial conditions. Keywords: acclimatizer, Joape, thermal comfort, relative moisture, temperatura

1. INTRODUÇÃO

O crescente aquecimento global, o aumento do custo dos bens de consumo e a busca por redução no consumo energético implicam no aumento da demanda por uma alternativa barata de climatização de ambiente. Diversos fabricantes possuem produtos nesta linha que compete com os condicionadores de ar clássicos.

A empresa Metalúrgica JOAPE Ltda., situada no Rio Grande do Sul, possui uma gama de climatizadores evaporativos que estão presentes em muitos estabelecimentos comerciais e residências. A proposta deste trabalho é avaliar a eficácia da utilização deste modelo de climatizadores através da instrumentação e posterior realização de ensaios controlados. A análise dos dados irá mostrar se há benefício real assim com a viabilidade da utilização deste produto, relacionando benefícios e restrições em relação aos seus concorrentes no mercado. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Climatizador

Segundo a empresa fabricante de climatizadores evaporativos, JOAPE, são dispositivos compostos de um ventilador axial, bomba de água e reservatório para água. Utilizados para reduzir a temperatura e elevar a umidade relativa do ar do ambiente.

2.2. Termistores São sensores de temperatura os quais apresentam comportamento essencialmente não-

linear conforme apresentam redução da resistência e função do aumento da temperatura. O material empregado neste tipo de sensor é um semicondutor, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10k-ohm a 0°C até 200 ohm a 100°C, conforme figura 1.

Figura 1 – Comportamento característico de um termistor. (fonte: Schneider,2008)

A diminuição da resistência versus temperatura vale a esse tipo de sensor o nome de NTC (Negative Temperature Coefficient). O comportamento não-linear do termistor é representado pela relação:

= T

B

AeR Onde A e B são constantes. 2.3. Propagação da incerteza de medição

É muito comum a determinação de uma grandeza e de sua incerteza de medição a partir

do conhecimento de outras grandezas determinadas experimentalmente, juntamente com suas incertezas. O valor dessa nova grandeza Y segue uma relação funcional do tipo:

( )nxxfY ...1=

Que é uma função de variáveis estatisticamente independentes x1 até xn. A incerteza associada a Y será calculada a partir das medições das grandezas associadas.

Uxx ±=

E a incerteza padrão u pode ser representada como:

3

Uu =

A propagação da incerteza de medição é um procedimento onde se estima a propagação

do desvio padrão de uma grandeza Y a partir do desvio padrão de suas variáveis dependentes x1 até xn. Tomando-se a grandeza Y, define-se a incerteza propagada Ur, segundo Kline e McClintock (HOLMAN, 1996) como sendo:

2

12

1

2

11

...

∂∂++

∂∂= n

nr u

x

Vu

x

VU

As duas próximas figuras mostram esquematicamente o procedimento:

Figura 2 – Propagação do desvio padrão de Y a partir do desvio padrão de suas variáveis dependentes (Fonte: ISO GUM, 2004).

Figura 3 – Propagação do desvio padrão de Y a partir dos valores de amostras do desvio padrão de suas variáveis dependentes (Fonte: ISO GUM, 2004).

2.4. Mistura adiabática de ar úmido com água líquida esguichada

No processo psicrométrico realizado pela climatizador a água líquida é injetada no ar ambiente a fim de aumentar sua umidade. O processo de mistura é adiabático e segundo Beyer (2004) pode-se desprezar a energia de bombeamento. Neste caso tem-se o processo usado para definição da temperatura de bulbo úmido, que permanece constante neste processo, com pequeno aumento de entalpia, que pode ser desprezado.

O fluxo de energia, portanto, vale:

( ) 01441 ≅−=⋅

−

⋅hhmQ a

O consumo de água vale:

( )14 WWmm aw −=⋅⋅

Entretanto, este parâmetro pode ser estimado experimentalmente através do seguinte procedimento: medição da quantidade de água inserida no reservatório, operação do equipamento durante tempo conhecido e nova medição da quantidade de água no reservatório.

Chamando as condições de entrada de 1, a saída de 4 e a saturação de s, tem-se que a eficiência de saturação ηs define o quanto o ar se aproxima da saturação, ou seja:

1

14

PrPr

PrPr

−−=

ssη

Onde ηs é a eficiência de saturação (na ordem de 70 a 90%) e Pr uma propriedade

termodinâmica, que pode ser temperatura ou conteúdo de umidade. Apesar do fluxo de energia ser zero, segundo Beyer (2004) consegue-se um

resfriamento sensível do ar as custas de um aumento de sua umidade, ou seja, calor latente. Este processo também é chamado de resfriamento adiabático ou evaporativo, sendo a forma mais simples de baixar a temperatura do ar, às custas de um aumento de umidade. É utilizado em lavadores de ar para resfriamento de ar em instalações industriais.

2.5 EQUIPAMENTO UTILIZADO

A realização do experimento foi realizada com a utilização de um climatizador evaporativo marca JOAPE, modelo Júnior, da linha residencial. A figura 5 mostra o modelo utilizado, e a tabela 1 mostra as características básicas.

Figura 4 – Climatizador evaporativo modelo Júnior.

Tabela 1 – Características básicas do climatizador (fonte: site da empresa JOAPE Ltda.).

3. METODOLOGIA

Para a obtenção da temperatura em diversos pontos da sala, sensores NTC foram distribuídos conforme mostra a figura 6. Cuidado especial foi tomado para que todos os sensores estivessem alinhados ao eixo axial do equipamento. A figura 7 mostra o experimento já montado no Laboratório de Vapor e Refrigeração (LAFRIG) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Figura 5 – Disposição dos sensores de temperatura

sentido do fluxo

Figura 6 – Disposição dos sensores de temperatura no laboratório.

Após a montagem dos sensores, um tempo de 20 minutos foi esperado até que todos

atingissem o equilíbrio de temperatura. Essa temperatura de equilíbrio foi utilizada para calibração dos sensores, assumindo como temperatura de referência a média de todas as temperaturas medidas. Os respectivos desvios foram utilizados como correção, como mostra a tabela 2.

Tabela 2 – Resultados para temperatura ambiente.

Para identificação da posição de cada sensor os mesmo foram estimulados com calor

corporal para que o aumento da temperatura fosse registrado. Na figura 7 pode ser vista a seqüência em que os sensores foram estimulados e seus respectivos picos de temperatura. Após a identificação, os sensores retornaram a temperatura ambiente então os bulbos úmidos foram umedecidos, para o início do período de testes.

Figura 7 – Estabilização pós umidificação dos bulbos.

1

2 3

4 5

Os testes foram realizados em dois períodos distintos, manhã e noite, para que pudesse

ser realizada uma comparação. O ensaio no período da noite foi realizado com a sala totalmente fechada, janelas e portas. O teste da manhã foi realizado com as portas e janelas abertas a fim de diminuir a recirculação de ar interno a sala.

Para a análise das curvas de resfriamento de cada ponto da sala, foram selecionados sensores do tipo termistor NTC-5KΩ. Os conectores dos sensores foram fixados aos fios e soldados com solda estanho, a fim de evitar possível interferência na medição. Foram utilizados sete sensores, sendo um para cada ponto avaliado neste trabalho e dois utilizados com temperatura de bulbo úmido na entrada e saída do climatizador.

Para a aquisição das leituras foi utilizado um aquisitor de dados (Agilent 34970A). Os sensores foram conectados às entradas do equipamento em canais separados. Os dados obtidos na calibração, bem como seus desvios, são apresentados na tabela 2.

A partir do início de funcionamento o aquisitor realizou uma varredura de cada canal de 30 em 30 segundos, para que pudesse ser traçada a curva de resfriamento do ambiente.

Para a medição da vazão de ar no ventilador foi utilizado um anemômetro, cuja medição foi feita na sucção do ventilador, como mostra a figura 8. As várias medidas foram realizadas como apresentado na figura 8.

Figura 8 – Medida da velocidade com anemômetro.

Figura 9 – Pontos de medição.

4. RESULTADOS

4.1. Curvas de resfriamento Os ensaios realizados em dois períodos distintos do dia, manhã e noite, apresentaram

resultados também diferentes como pode ser visto nas figuras 10 e 11.

22,00

23,00

24,00

25,00

26,00

27,00

28,00

29,00

30,00

Tem

pera

tura

(°C

)

Pos. 5 - tbs

Pos. 1 - tbs

Pos. 1 - tbu

Pos. 2 - tbs

Pos. 3 - tbs

Pos. 3 - tbu

Pos. 4 - tbs

Figura 10 – Curva de resfriamento – ensaio noturno.

22

23

24

25

26

27

28

29

30

10

Tem

pera

tura

(°C

)

1 Tbs

1 Tbu

2 Tbs

3 Tbs

3 Tbu

4 Tbs

5 Tbs

Figura 11 – Curva de resfriamento – ensaio diurno.

4.2. Vazão real

A tabela a seguir mostra as medições realizadas para vazão volumétrica do equipamento em estudo. Foram consideradas 4 regiões para determinação da vazão total, ponderadas igualmente, em virtude da terem áreas iguais e estarem dispostas à distancias iguais do centróide do equipamento. Este método é descrito por Schneider (2000) como método do centróide de áreas iguais, onde todas as medições têm mesmo peso.

Medição de velocidade [m/s] Área [m2] Vazão [m3/s] Medição 1 4,45 Medição 2 4,2 Medição 3 4,3 Medição 4 4

Média 4,24 0,05 0,23 Medição 5 2,4 0,01 0,03

0,26

Esta tabela indica que a vazão volumétrica medida é de 0,26 m3/s, ou seja, 932,8 m3/h um valor bastante maior do que o valor nominal informado pelo fabricante (600 m3/h).

4.3 Consumo de água da bomba

Através da medição no volume de água inserido inicialmente no equipamento, funcionamento do aparelho por 20 minutos e posterior medição do volume de água no reservatório, pôde-se estimar a vazão e consumo de água pelo equipamento. Os resultados são demonstrados a seguir:

Medição 1: 2,00 L Medição 2: 0,89 L

Tempo de operação: 1200 segundos

Consumo de água: (2,00 – 0,89)/1200 = 0,000925 L/s = 3,33 L/h

Isto denota que, frente a um reservatório de 3,8 L, o abastecimento de água deverá ser efetuado a cada 68 minutos. Uma freqüência considerada alta para uso doméstico. 5. Conclusões

Através das análises realizadas, pode-se constatar que o climatizador de ar JOAPE efetivamente impõem melhorias as variáveis de conforto térmico do ambiente. Os experimentos mostram uma redução de aproximadamente de 4 ºC dentro da área de abrangência do mesmo, independentemente do cenário.

Utilizando-se cartas psicrométricas, de posse dos dados de temperatura de bulbo seco e úmido, verifica-se que houve aumento significativo da umidade relativa, em pouco tempo de operação atingindo pontos próximo à saturação. No caso em questão, este foi um resultado positivo, uma vez que aproximou as condições do ambiente das condições

consideradas ideais para conforto térmico. Entretanto, pode-se interpretar a proximidade da saturação em alguns casos como inconveniente, uma vez que torna alta a possibilidade de condensação de água nas superfícies, situação que usualmente é tida como desconfortável.

Analisando esta situação, pode-se verificar que estes umidificadores têm baixo índice de eficácia em ambientes onde a umidade relativa do ar já esta próxima da saturação, isso se dá, pois a troca de fase da água é menos favorecida neste tipo de situação reduzindo as trocas de calor latente.

Outro ponto negativo na utilização deste equipamento é a necessidade de freqüente reabastecimento de água em seu reservatório. Como foi demonstrado, o elevado consumo de água exige que o reservatório seja reabastecido, em média, a cada hora de utilização.

Do ponto de vista energético este equipamento apresenta baixo consumo de energia elétrica se comparado com outros climatizadores de ar, como por exemplo condicionadores de ar de expansão direta, todavia, ao contrário do que podia-se esperar, o custo de aquisição do equipamento é mais elevado (cerca de R$1200 pelo modelo Júnior – fonte: www.joape.com.br) do que seus concorrentes, novamente, por exemplo equipamentos de ar condicionado (cerca de R$750 por equipamento de 7500 Btu/h – fonte: www.poloar.com.br). Poder-se-ia contrapor a desvantagem nos custos de aquisição se forem comparados os consumos energéticos destes equipamentos, entretanto, esta análise é essencialmente qualitativa, uma vez que os equipamentos comparados (ditos concorrentes) têm características, controle e impõe benefícios bastante distintos.

Por fim, descartaria-se a possibilidade de uso deste equipamento em salas de aula, pois o nível de ruído emitido pelo equipamento, 60 decibéis - informado pelo fabricante, o torna proibitivo, uma vez que a norma NBR 10152 indica que níveis de pressão sonora aceitáveis para estas salas estão entre 40 e 50 dB.

6. Bibliografia consultada SCHNEIDER, PAULO S., Termometria e Psicrometria , Medições Térmicas -Departamento de Engenharia Mecânica - UFRGS, 2005. SCHNEIDER, PAULO S., Incerteza de Medição e Ajuste de Dados , Medições Térmicas - Departamento de Engenharia Mecânica - UFRGS, 2007. SCHNEIDER, PAULO S., Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos, Medições Térmicas – Departamento de Engenharia Mecânica – UFRGS, 2000. BAYER, P.; Apostila de Climatização , Departamento de Engenharia Mecânica, 2004,UFRGS. INCROPERA, DEWITT, Fundamental of Heat and Mass Transfer, McGraw-Hill, 2006. Página www.climatizador.ind.br, consultada em 24/11/2008.

ANEXO

Figura A - Carta Psicrométrica, fonte: www.carrier.com consultado em 10/11/2008