Notas de aula de refrigerao

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Notas de aula 
 
 
REFRIGERAÇÃO E AR 
CONDICIONADO 
 
 
Prof. Humberto A. Machado 
 
 
 
Departamento de Mecânica e Energia – DME 
 
Faculdade de Tecnologia – FAT 
 
UERJ – Resende 
 
 
 
 
 
Março de 2009 
 
(3a Edição revisada) 
 1
NOTA DO AUTOR 
 
Estas notas são um resumo para acompanhamento das aulas. Foram criadas 
especificamente para a disciplina de Refrigeração do Curso de Engenharia de 
Produção/ênfase Mecânica da FAT/UERJ. 
 
A 1a edição foi disponibilizada em março de 2005. A 2a edição (março de 2007) inclui 
algumas passagens novas, maior detalhamento em outras e revisão na solução dos 
exercícios. A 3a edição, além das modificações anteriores, inclui um exercício prático de 
cálculo da carga térmica e dimensionamento de sistema de ar-condicionado. Para 
acompanhamento do curso, tenha sempre em uso a edição mais recente. 
 
Em nenhum momento esta apostila pretende substituir os livros textos consagrados sobre 
o tema. Também não deve ser considerada roteiro para provas e exames nem dispensa 
a presença e a atenção ao conteúdo dado em sala. Sua função é unicamente fornecer 
um roteiro coerente com a seqüência didática adotada. 
 
Para os alunos que desejem se aprofundar no tema, sugere-se consultar a bibliografia 
selecionada. 
 
 
Resende, março de 2009. 
 
 
Prof. Humberto A. Machado 
Departamento de Mecânica e Energia – DME 
Faculdade de Tecnologia – FAT 
Universidade do Estado do Rio de Janeiro – UERJ 
 2
ÍNDICE 
 
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................4 
1.1. HISTÓRICO..................................................................................................................4 
1.2. APLICAÇÕES DA REFRIGERAÇÃO ...................................................................................4 
1.3. O EFEITO DE REFRIGERAÇÃO ........................................................................................5 
1.4. NOÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO..................................................................................5 
1.5. SISTEMAS DE UNIDADES ...............................................................................................7 
2. PSICROMETRIA .............................................................................................................8 
2.1. INTRODUÇÃO...............................................................................................................8 
2.2. CARTA PSICROMÉTRICA................................................................................................8 
2.3. UMIDADE RELATIVA ....................................................................................................10 
2.4. UMIDADE ABSOLUTA...................................................................................................10 
2.5. ENTALPIA ..................................................................................................................11 
2.6. VOLUME ESPECÍFICO..................................................................................................12 
2.7. TRANSFERÊNCIA SIMULTÂNEA DE CALOR E MASSA ........................................................12 
2.8. CALOR SENSÍVEL X CALOR LATENTE............................................................................13 
2.9. SATURAÇÃO ADIABÁTICA E TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO TERMODINÂMICA .................14 
2.10. TERMÔMETRO DE BULBO ÚMIDO ................................................................................15 
2.11. PROCESSOS PSICROMÉTRICOS .................................................................................15 
2.12. EXERCÍCIOS ............................................................................................................17 
3. ANÁLISE DO CICLO DE COMPRESSÃO DE VAPOR ................................................31 
3.1. SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO .....................................................................................31 
3.2. O CICLO DE COMPRESSÃO A VAPOR.............................................................................32 
3.3. MODIFICAÇÕES NO CICLO DE CARNOT .........................................................................36 
3.3.1. Compressão úmida e seca ...............................................................................36 
3.3.2. Processo de expansão .....................................................................................37 
3.4. CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO A VAPOR ...................................................................37 
3.5. PROPRIEDADES DOS REFRIGERANTES .........................................................................38 
3.6. DESEMPENHO DO CICLO PADRÃO DE COMPRESSÃO A VAPOR .........................................39 
3.7. TROCADORES DE CALOR ............................................................................................40 
3.8. O CICLO REAL DE COMPRESSÃO A VAPOR ....................................................................41 
3.9. EXERCÍCIOS ..............................................................................................................42 
4. CLIMATIZAÇÃO ...........................................................................................................48 
4.1. INTRODUÇÃO.............................................................................................................48 
4.2. CÁLCULO DA CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO EM UM SISTEMA DE ZONA SIMPLES ............48 
4.3. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO.........................................................49 
4.4. SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO DE ZONA SIMPLES...........................................................50 
4.4.1. Condicionadores de ar de janela ......................................................................50 
4.4.2. Sistemas tipo Self-contained ............................................................................50 
4.4.3. Sistemas tipo splits ...........................................................................................51 
4.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller .............................................................................52 
5. COMPONENTES DO SISTEMA ...................................................................................54 
5.1. COMPRESSORES .......................................................................................................54 
5.1.1. Compressores alternativos ...............................................................................55 
5.1.2. Compressor rotativo .........................................................................................57 
5.1.3. Compressores de parafuso ..............................................................................58 
5.1.4. Compressores centrífugos................................................................................59 
 3
5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol).......................................................................60 
5.2. EVAPORADORES........................................................................................................61 
5.3. CONDENSADORES .....................................................................................................65 
5.4. TORRES DE RESFRIAMENTO E CONDENSADORES EVAPORATIVOS..................................68 
5.5. DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO.......................................................................................70 
5.6. LINHAS DE FLUIDO REFRIGERANTE...............................................................................74 
5.7. ACESSÓRIOS .............................................................................................................74 
6. NOÇÕES DE PROJETO DE CLIMATIZAÇÃO .............................................................76 
6.1. PRINCÍPIOS ...............................................................................................................766.2. CONDIÇÕES DE PROJETO............................................................................................77 
6.3. ESTIMATIVA DA CARGA TÉRMICA..................................................................................79 
6.3.1. Parcelas da carga térmica ................................................................................80 
6.3.2. Determinação da vazão total de insuflamento ..................................................92 
6.3.3. Armazenagem ..................................................................................................93 
6.3.4. Zoneamento......................................................................................................94 
6.3.5. Aquecimento.....................................................................................................95 
6.3.6. Sombreamento .................................................................................................95 
6.4. EXEMPLO ..................................................................................................................97 
7. VENTILAÇÃO .............................................................................................................103 
7.1. DIMENSIONAMENTO DA REDE DE DUTOS.....................................................................103 
7.1.1. Arbitragem de velocidades .............................................................................103 
7.1.2. Método de igual atrito .....................................................................................105 
7.1.3. Método da recuperação de pressão ...............................................................107 
7.2. ESTIMATIVA DA PERDA DE CARGA ..............................................................................111 
7.3. DISTRIBUIÇÃO DO AR................................................................................................118 
7.4. VENTILADORES........................................................................................................124 
7.4.1. Ventiladores centrífugos e suas características .............................................124 
7.4.2. Leis dos Ventiladores .....................................................................................127 
7.5. EXEMPLO ................................................................................................................129 
8. REFRIGERANTES ......................................................................................................133 
8.1. FLUIDOS PRIMÁRIOS E SECUNDÁRIOS.........................................................................133 
8.2. TIPOS DE REFRIGERANTES PRIMÁRIOS .......................................................................133 
BIBLIOGRAFIA...............................................................................................................135 
ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES ...................136 
 
 4
1. INTRODUÇÃO 
 
1.1. Histórico 
 
Na antiguidade, a refrigeração já era utilizada no preparo de alimentos. Gregos e 
romanos usavam escravos para extrair a neve do topo de montanhas e armazena-
la em buracos na terra, onde era posteriormente empregada no preparo de 
alimentos gelados. 
 
Em 1626, Francis Bacon verificou que as baixas temperaturas permitiam conservar 
alimentos, enterrando galinhas na neve. Com a invenção do microscópio, em 1683, 
foi possível entender o mecanismo de deterioração dos alimentos. As temperaturas 
abaixo de 10º C colocavam os microorganismos responsáveis pela decomposição 
em estado de hibernação. Tal fato estimulou o comércio de gelo natural, que era 
distribuído através de longas distâncias, em navios e carroças isoladas com 
serragem, e armazenado nas residências em armários isolados chamados 
geladeiras. O processo de congelamento substituiu em grande parte o salgamento 
e a defumação. 
 
Devido à crescente demanda por gelo, e a dificuldade de sua distribuição, buscou-
se uma alternativa para a produção de gelo artificial. Em 1755, Willian Cullen 
utilizou a evaporação de éter para congelar uma pequena porção de água, 
baixando a pressão para acelerar o processo. O sistema tinha a desvantagem de 
necessitar de reposição constante do éter. O problema foi resolvido cirando-se um 
circuito fechado onde o éter vaporizado era comprimido para se condensar 
novamente. Em 1834, Jacob Perkins patenteou o primeiro equipamento para 
produção de gelo. O primeiro sistema real de refrigeração foi construído pelo 
escocês James Harrison entre 1856 e 1857. 
 
Os progressos foram se sucedendo: o uso da amônia foi substituído pelos CFCs, e 
o primeiro refrigerador doméstico foi construído nos anos de 1920. O primeiro Ar 
condicionado foi criado por Joseph McCreaty em 1897. Willis H. Carrier foi o 
primeiro a conseguir o controle da temperatura e umidade em um ambiente, em 
1906. 
 
Depois da 2ª Guerra Mundial, os equipamentos de refrigeração e condicionamento 
de ar se popularizaram. Atualmente, os principais campos de desenvolvimento dos 
sistemas de refrigeração envolvem aspectos energéticos (otimização do uso de 
energia) e ambientais (substituição dos CFCs por fluidos não danosos à camada de 
ozônio). Tem havido um aumento intensivo no emprego da eletrônica nos sistemas 
de controle desses equipamentos. 
 
 
1.2. Aplicações da refrigeração 
 
- Ar condicionado em edificações de porte médio e grande: prédios comerciais e 
residenciais. 
 
- Climatização de ambientes industriais: aquecimento e resfriamento localizado, 
laboratórios ambientais, gráficas, têxteis, processos de alta precisão, salas limpas, 
produtos fotográficos, equipamentos eletrônicos, etc. 
 
 5
- Ar condicionado residencial e veicular. 
 
- Armazenamento e distribuição de alimentos: por imersão, jato de ar, leito fluidilizado 
ou criogenia. 
 
- Processamento de alimentos. 
 
- Indústrias químicas e de processos. 
 
- Produção de gases industriais. 
 
- Aplicações específicas: bebedouros, desumidificadores, produção de gelo, etc. 
 
 
Figura 1.1. Vista em corte de um refrigerador doméstico. 
 
1.3. O efeito de refrigeração 
 
A refrigeração consiste basicamente em retirar calor de um corpo e rejeita-lo para o 
meio ou outro corpo a uma temperatura maior. A 2ª Lei da Termodinâmica estabelece 
que o calor só flui espontaneamente no sentido da menor temperatura. Assim, é 
preciso adicionar trabalho, através de um processo qualquer, para a remoção do calor. 
Esse é o princípio de todos os equipamentos de refrigeração. 
 
O corpo humano emprega o processo de evaporação para eliminar o excesso de calor 
e controlar sua temperatura. Sabe-se que a evaporação da água absorve muito mais 
calor do que o aquecimento da mesma quantidade de água de 0o C a 100º C. Assim, o 
corpo elimina água na forma transpiração, que retira o calor ao evaporar-se. Veremos 
que o mesmo efeito é empregado nos sistemas de refrigeração. 
 
 
1.4. Noções de conforto térmico 
 
Segundo a ASHRAE (1997), conforto térmico é um estado de espírito que reflete a 
satisfação com o ambiente térmico que envolve uma pessoa. 
 
Segundo essa definição, o conforto térmico de um indivíduo é subjetivo. Num sistema 
de condicionamento de ar, deseja-se atender ao maior número de indivíduos possível. 
 
 6
A sensação de conforto depende da facilidade com que o indivíduo estabelece o 
balanço térmico com o meio, para manter sua temperatura interna corporal em 37o C. 
 
Existem limites para a temperatura externa (da pele) e suor eliminado (máximo de 1 
litro por hora). 
 
Fatores de conforto térmico: 
 
- Individuais: atividade, vestuário. 
 
- Ambientais: temperatura do ar, temperatura média radiante, velocidade do ar, 
umidade relativa. 
 
 A transferência de calor pelo corpo se dá de quatro formas distintas: 
 
 
Figura 1.2. Trocas térmicas entre o homem e o meio. 
 
- Condução:usualmente desprezada. 
- Evaporação: pela exalação de vapor d’água, por perspiração insensível e pelo 
suor. 
- Convecção 
- Radiação 
 
A avaliação dos ambientes é feita através de índices térmicos. Um dos primeiros foi a 
temperatura efetiva (TE). Foram estabelecidos índices diretos, cujo principal foi 
adotado pela legislação brasileira sobre higiene e segurança do trabalho (NR 15), e é 
o índice de bulbo úmido – temperatura de globo, IBUTG. Na literatura internacional 
é chamado WBGT (wet bulb globe temperature). A norma internacional para avaliação 
de ambientes à temperaturas moderadas é a ISO 7730. 
 
 7
1.5. Sistemas de unidades 
 
São basicamente dois os sistemas de unidades usados atualmente: o sistema métrico 
e o sistema inglês (ainda empregado nos Estados Unidos). Dentro do sistema métrico, 
o mais difundido é o sistema formado por grandezas fundamentais conhecido como 
Sistema Internacional de Unidades (SI). Nas tabelas abaixo, são sumarizadas algumas 
das unidades desses sistemas, que estarão presentes neste texto, e os fatores de 
conversão. 
 
Tabela 1.1. Unidades derivadas do SI para algumas grandezas. 
 
 
 
Tabela 1.2. Fatores de conversão úteis. 
 
 8
2. PSICROMETRIA 
 
2.1. Introdução 
 
• É o estudo das misturas ar-vapor. 
 
• Em condicionamento de ar, considera-se o ar uma mistura de ar seco e vapor 
d’água, cuja quantidade pode variar de acordo com o processo, e que será 
denominada de ar úmido. 
 
2.2. Carta psicrométrica 
 
• São cartas que relacionam as diversas propriedades do ar úmido. 
 
• A linhas de saturação corresponde ao lugar geométrico dos pontos em que 
ocorre condensação da água no ar. 
 
• A interação entre as moléculas do ar e de água é considerada desprezível para 
fins de cálculo psicrométrico. 
 
• Quando o ar se encontra sobre a linha de saturação, é chamado ar saturado. 
Nesse caso, qualquer redução da temperatura causará condensação da água 
nele contida. 
 
• Na figura 2.1, se o ar se encontra inicialmente no ponto A, é necessário que sua 
temperatura se reduza até B para o início da condensação. Nesse caso, TB é 
chamado ponto de orvalho. 
 
 
 
 
 
Figura 2.1. A linha de saturação. 
 9
 
 
 
 
Figura 2.2. A carta psicrométrica. 
 
 
 10
2.3. Umidade relativa 
 
É a razão entre a fração molar do vapor de água no ar úmido e a fração molar do 
vapor de água no ar saturado à mesma temperatura. Para gases perfeitos: 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.3. Linha de umidade relativa. 
 
 
2.4. Umidade absoluta 
 
É a massa de água contida em 1 kg de ar seco. Para gases ideais: 
 
 
 
 
 
 
Para ar úmido: 
 
 
 
 11
 
 
Figura 2.4. Umidade absoluta como ordenada. 
 
 
2.5. Entalpia 
 
É a soma das entalpias do ar seco mais vapor de água. A entalpia do ar seco é 
calculada a partir de um estado de referência (0o C) em que tem valor zero. O calor 
específico à pressão constante do ar seco é aproximando para 1 kJ/kg.oC. 
 
 
 
A entalpia do vapor foi considerada na condição de saturação, embora provavelmente 
o vapor estaja superaquecido devido à baixa pressão. A figura 2.5 mostra que essa 
aproximação não acarreta grandes erros. 
 
 
Figura 2.5. Diagrama de Mollier – variação da entalpia do vapor d’água ao longo de 
uma isoterma. 
 
 
 12
 
 
Figura 2.6. Linha isoentálpica. 
 
2.6. Volume específico 
 
O volume específico da mistura é definido em função do volume específico do ar seco, 
uma vez que ar e vapor ocupam o mesmo volume simultaneamente. Para gás perfeito, 
temos: 
 
 
 
 
 
Figura 2.7. Linha de volume específico constante. 
 
2.7. Transferência simultânea de calor e massa 
 
Lei da linha reta: quando o ar transfere calor e massa (vapor d’água), o faz através 
de uma linha reta que tende para a temperatura da superfície úmida sobre a linha de 
saturação: 
 
 
Figura 2.8. Ar escoando sobre uma superfície úmida com transferência de calor e 
massa. 
 13
 
Figura 2.9. Lei da linha reta. 
 
Tal comportamento se deve ao fato do número de Lewis da água ser 
aproximadamente igual a 1. 
 
2.8. Calor sensível x Calor Latente 
 
Quando ocorre transferência simultânea de calor e massa de ou para o ar úmido, o 
calor trocado pode ser dividido em duas parcelas: 
 
Calor sensível: é associado à variação de temperatura. 
 
Calor latente: é associado à mudança de fase, ou seja, à variação do teor de umidade 
do ar úmido. 
 
Para um processo de troca de calor sofrido por uma determinada massa de ar úmido, 
a quantidade de calor trocada será dada pela variação de entalpia do ar: 
 
12 hhq −= 
 
Aplicando a equação para o cálculo da entalpia do ar úmido, obtém-se 
 ( ) ( )
1gp2gp
WhT.cWhT.cq +−+= 
 
Reagrupando os termos, tem-se: 
 ( ) ( )
1g12g212p
hWhWTTcq ++−= 
 
que pode ser reescrita como: 
 
LS qqq += 
 
onde: 
 ( )12pS TTcq −= (parcela de calor sensível) 
 ( )
1g12g2L
hWhWq += (parcela de calor latente) 
 
Podemos definir o Fator de Calor Sensível (FCS) como: 
 
FCS = qS / q 
 14
 
O FCS corresponde à inclinação da linha que representa a troca de calor na carta 
psicrométrica. 
 
2.9. Saturação adiabática e temperatura de bulbo úmido termodinâmica 
 
O processo mostrado a seguir é realizado num saturador adiabático: 
- As paredes do saturador são isoladas termicamente. 
- A água é dispersa na maior área possível. 
- A água do reservatório é reposta e mantida à temperatura constante, 
igual à do reservatório. 
- Dentro destas condições, a água entra em equilíbrio termodinâmico com 
o ar. 
Uma vez atingido o regime permanente, a temperatura da água é chamada 
temperatura de bulbo úmido termodinâmica ou temperatura de saturação 
adiabática. 
 
O balanço térmico proporciona: 
 
 
 
 
 
Figura 2.10. Saturação adiabática. 
 
 
 
Figura 2.11. Saturação adiabática na carta psicrométrica. 
 15
2.10. Termômetro de bulbo úmido 
 
Obtém uma medida muito próxima da temperatura de saturação adiabática, que pode 
ser usada para a caracterização de uma mistura ar-água, uma vez que é de fácil 
obtenção. 
 
 
 
Figura 2.12. Processo de medição da temperatura de bulbo úmido. 
 
2.11. Processos psicrométricos 
 
1. Resfriamento e aquecimento sensíveis (com variação de temperatura): 
 
Figura 2.13. Aquecimento ou resfriamento sensível. 
 
2. Umidificação: 
 
 
Figura 2.14. Processos de umidificação. 
 
 16
3. Resfriamento e desumidificação: são realizados pela serpentina de resfriamento, 
e consistem na redução da temperatura e da umidade do ar. 
 
 
 
 
Figura 2.15. Resfriamento e desumidificação. 
 
4. Desumidificação química: o vapor d’água é absorvido por uma substância 
higorscópica. 
 
Figura 2.16. Desumidificação química. 
 
5. Mistura de duas correntes de ar: pela conservação da energia, temos, 
 
 
 
Pela conservação da massa, obtém-se: 
 
 
 
 
Figura 2.17. Mistura de correntes de ar. 
 17
2.12. Exercícios 
 
 
 
 
 
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
-do na saída do desumi 
 18
 
 
observação: neste exercício, Pa significa pressão parcial do vapor d’água, e não pressão do ar. Ou 
seja, a nomenclatura correta seria Pv. 
Solução do exercício 1 
 19
 
 
 
 
Solução do exercício 2 
 20
 
 
 
 
 21
 
 
 
 
 
Solução do exercício 3 
 22
Solução do exercício 4 
 23
 
m3/Kg 
 24
 
Solução do exercício 5 
 25
 
 
Solução do exercício 6 
 
 26
 
 
 
 27
 
 
 
 28
 
 
 
 
Solução do exercício 7 
7,47 kPa 
 29
 
 
 
 
Solução do exercício 8 
 3031
3. ANÁLISE DO CICLO DE COMPRESSÃO DE VAPOR 
 
3.1. Sistemas de refrigeração 
 
Sistema de Compressão de vapor: é o mais empregado. O ciclo de operações 
realizadas é mostrado na tabela abaixo. 
 
 
 
 
 
Figura 3.1. Ciclo de compressão de vapor. 
 
Sistema de refrigeração por absorção: o mais comum utiliza amônia (NH3) como 
fluido refrigerante e água como absorvente. Tem a vantagem de utilizar energia 
térmica quando a eletricidade não está disponível ou tem custo elevado. Não tem 
peças móveis, por isso é silencioso e sem vibrações. 
 
 
Figura 3.2. Sistema de refrigeração por absorção típico. 
 
Refrigeração termelétrica: funcionam a partir dos efeitos Seebeck/Peltier, em que 
uma corrente elétrica é induzida por ou pode induzir uma diferença de temperatura 
entre dois extremos de um condutor. É o princípio usado nos termopares. 
 
 32
3.2. O ciclo de compressão a vapor 
 
O ciclo motor de Carnot é o ciclo mais eficiente que pode ser concebido para operar 
entre uma certa diferença de temperaturas, em virtude de ser constituído apenas de 
processos reversíveis. 
 
 
 
Figura 3.3. Motor térmico de Carnot. 
 
O ciclo de refrigeração de Carnot opera no sentido inverso. A finalidade do ciclo é a 
extração de calor da fonte de baixa temperatura para um reservatório de alta 
temperatura. Os processos que ocorrem no ciclo são: 
 
1-2: compressão adiabática 
2-3: rejeição isotérmica do calor 
3-4: expansão adiabática 
4-5: absorção isotérmica do calor 
 
 
 
Figura 3.4. ciclo de refrigeração de Carnot. 
 
O desempenho de um ciclo de refrigeração é medido pelo coeficiente de eficácia 
(CE): 
 
CE = ___refrigeração útil___ 
 trabalho líquido 
 
O fluido de trabalho em um sistema de refrigeração é chamado refrigerante. 
 
 33
 
 
 
 
 
Figura 3.5. Áreas relativas ao ciclo de refrigeração de Carnot. 
 
 
 
3.5 
 34
 
 
onde: 
U – coeficiente global de transferência de calor (W/m2.K) 
A – área de troca (m2) 
∆t – diferença de temperatura (K) 
 
 
 
 
Figura 3.6. Exigências de temperatura impostas sobre um ciclo frigorífico. 
 
3.6
 35
 
 
 
 
Figura 3.7. Ciclo de refrigeração de Carnot a gás. 
 
 
 
 
3.7
3.8
 36
3.3. Modificações no ciclo de Carnot 
 
3.3.1. Compressão úmida e seca 
 
 
 
 
 
Figura 3.8. Ciclo de refrigeração de Carnot para compressão úmida. 
 
 
 
Figura 3.9. Ciclo de refrigeração de Carnot para compressão seca. 
 
 
3.9
3.8
 37
3.3.2. Processo de expansão 
 
 
 
 
 
3.4. Ciclo padrão de compressão a vapor 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.10. Ciclo padrão de compressão à vapor. 
 
 
 
 
 
3.10 
 38
3.5. Propriedades dos refrigerantes 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.11. Diagrama pressão-entalpia de um refrigerante. 
 
 
3.11
 39
 
3.6. Desempenho do ciclo padrão de compressão a vapor 
 
A figura a seguir mostra o aspecto do ciclo padrão de compressão a vapor num 
diagrama pressão entalpia. 
 
Através deste diagrama, pode-se determinar os parâmetros importantes do ciclo: 
 
- Trabalho de compressão: 
 
w = h1 – h2 
 
- Taxa de rejeição de calor: 
 
qrejeitado = h3 – h2 
 
- Efeito de refrigeração: 
 
qabsorvido = h1 – h4. 
 
- vazão em volume de refrigerante por kW de refrigeração 
 
- potência por kW de refrigeração: 
 
w.mW && = 
 
- capacidade de refrigeração: 
 
absorvidoR q.mQ && = 
 
obs: as variações de energia cinética e potencial são desprezadas. 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.12. Diagrama pressão-entalpia e esquema do ciclo padrão de compressão a 
vapor. 
 40
3.7. Trocadores de calor 
 
Alguns sistemas frigoríficos utilizam trocadores de calor que resfriam o líquido saído 
do condensador com o vapor que se dirige para o compressor, vindo do evaporador. 
 
 
 
Figura 3.13. Sistema frigorífico com trocador de calor para sub-resfriamento do 
líquido. 
 
 
 
 
 
Figura 3.14. Trocador de calor entre o gás de aspiração e o líquido sem a carcaça. 
3.14
 41
3.8. O ciclo real de compressão a vapor 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.15. Ciclo de compressão real comparado ao padrão. 
 
 
 
 
 
3.15
 42
3.9. Exercícios 
 
 
 
 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2. 
 
 
 
 
 3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 4. 
 
 
 
 
 5. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 6. 
 
 
 
 
 
 
 43
 
 
Ex. 1. 
Ex. 2. 
 44
 
 
 
 
Ex. 3. 
 45
 
Ex. 4. 
 46
 
Ex. 5. 
 47
 
 
 
 
Ex. 6. 
 
 48
4. CLIMATIZAÇÃO 
 
4.1. Introdução 
 
Climatizar ambientes significa tratar simultaneamente a temperatura, umidade, pureza 
e movimentação do ar em recintos fechados, no sentido de obter conforto térmico. 
 
Os sistemas de climatização de zona simples atendem a apenas um recinto. Os de 
zona múltipla atendem à vários recintos simultaneamente, e exigem um projeto mais 
acurado. 
 
Um sistema de climatização envolve o emprego de unidades de refrigeração, filtragem, 
circulação do ar, controle, etc. Na figura abaixo, é mostrado o esquema de um sistema 
de zona simples. A taxa de renovação do ar interno é controlada pela tomada de ar 
externo, e o ar retorno é misturado com ar de renovação, para então passar pelos 
processos de resfriamento, aquecimento ou desumidificação. 
 
 
 
Figura 4.1. Sistema de climatização de zona simples. 
 
 
4.2. Cálculo da capacidade de refrigeração em um sistema de zona simples 
 
Considere o sistema de refrigeração mostrado na figura 4.1. A carga térmica ( TQ& ) é a 
taxa com o calor é gerado ou absorvido pelo ambiente interno, e seu cálculo será visto 
no item 6.3. Para que o recinto (ambiente climatizado) mantenha sua temperatura 
constante, a taxa de absorção de calor deve ser a mesma que a de rejeição. 
 
A entalpia em 2 é obtida a partir do estado do ar no recinto (dados do projeto). O ponto 
1 é o estado do ar no ambiente externo, o que também é definido como condição de 
projeto (depende da localização da edificação). 
 
A vazão de ar total m& é obtida a partir do dados de projeto (item 6.3), assim como as 
frações 1m& (ar de renovação) e 2m& (ar de retorno): 
 
mmm 21 &&& =+ 
 
Para o cálculo da entalpia em 4, aplicamos a 1a Lei da Termodinâmica para um 
volume de controle, considerando regime permanente e variações desprezíveis de 
velocidade e altura do ar. Assim, temos no recinto: 
 49
 ( )42T hhmQ −= && 
 
m
Qhh T24 &
&−= 
 
No cálculo da carga térmica, são estimadas as parcelas de calor sensível e latente 
(item 6.3), permitindo determinar o FCS. Aplicando as definições de calor sensível e 
latente, é possível determinar a temperatura e umidade absoluta no ponto 4: 
 
T
SS
42
42
Q
q.m
q
q
hh
TTFCS &
&==−
−= 
 
m
Q.FCSTqTT T2S24 &
&−=−= 
 
m
Q.FCS1q TL &
&−= 
 
( )[ ] ( )4vL22v4 Th
1qW.ThW −= 
 
Com as frações de vazão mássica e as entalpias em 1 e 2 conhecidas, é possível 
determinar a entalpia em 3, a partir de uma média ponderada: 
 
m
hmhmh 22113 &
&& += 
 
Aplicando a 1a Lei à serpentina de resfriamento, temos: 
 
)hh(mQ 34R −= && 
 
Note que, por uma questão de coerência física, o resultado deverá ser negativo, uma 
vez que a Capacidade de refrigeração é a taxa com que o calor é rejeitado. 
 
 
4.3. Classificação dos sistemas de climatização 
 
- Quanto à utilização: residencial, comercial, hospitalar, industrial ou automotivo. 
- Quanto à capacidade: grande, médio ou pequeno porte. 
- Quanto ao sistema de expansão: direta e indireta. 
 
Sistema de expansão direta: o ar a ser climatizado entra em contato direto como 
evaporador. 
 
Sistemade expansão indireta: um fluido intermediário, geralmente água gelada, é 
utilizado para resfriar o ar. 
 
 
 50
4.4. Sistemas de refrigeração de zona simples 
 
4.4.1. Condicionadores de ar de janela 
 
Geralmente são instalados em paredes ou janelas em uma altura de 1,60 m. A 
capacidade de resfriamento varia de 0,5 a 3,0 TR (tonelada de refrigeração). São 
basicamente para emprego em residências ou escritórios. Jamis devem ser instalados 
na parte inferior das paredes. 
 
 
Figura 4.2. Condicionador de janela. 
 
4.4.2. Sistemas tipo Self-contained 
 
São sistemas flexíveis, de maior capacidade, para usos domésticos ou comerciais. 
Podem ser instalados diretamente no recinto a ser climatizado ou em casas de 
máquina, contendo dutos de insuflamento. 
 
 
 
Figura 4.3. Condicionador tipo self-contained com rede de dutos. 
 
Podem ser fornecidos com condensação a ar ou a água. O tipo com condensação a ar 
acoplado utiliza um ventilador centrífugo para movimentar o ar entre as aletas do 
condensador e para retirar o calor do fluido refrigerante. 
 
No sistema com condensação a ar remoto a unidade evaporadora é instalada nas 
proximidades ou no próprio local a ser condicionado, e a unidade condensadora é 
instalada externamente ao ambiente. As duas unidades são ligadas por uma tubulação 
de cobre isolada termicamente. 
 
 
 51
 
Figura 4.4. Sistema com condensação a ar remoto. 
 
O sistema com condensação a água emprega uma torre de resfriamento de água para 
seu funcionamento. A água aquecida que sai do condensador ´bombeada até a torre, 
sendo resfriada pelo ar atmosférico. 
 
 
 
 
Figura 4.5. Sistema com condensação a água. 
 
 
4.4.3. Sistemas tipo splits 
 
Esses sistemas são adaptáveis ao ambiente, pois podem ser embutidos, e funcionam 
com baixo nível de ruído. O compressor fica na parte externa, junto ao condensador 
 
 
 
Figura 4.6. Instalação de um sistema split. 
 
 52
O evaporador e ligado aos sistemas de compressão e condensação por tubos de 
cobre. Assim, um condensador pode atender a vários evaporadores. 
 
 
 
 
Figura 4.7. Bancada didática de um condicionador tipo split. 
 
 
 
 
4.4.4. Sistemas tipo fan coil/chiller 
 
É um sistema de expansão indireta com condensação a ar ou água. O ambiente a ser 
climatizado troca calor com uma serpentina equipada com ventilador. Na serpentina 
circula água fira, proveniente do chiller. A água entra a uma temperatura da ordem de 
7o C e sai por volta de 12o C. O calor absorvido pela água é eliminado no evaporador 
do chiller. O fluido refrigerante do chiller é condensado através de água proveniente de 
uma torre de resfriamento. 
 
 
 
Figura 4.8. Esquema de um sistema fan coil/chiller. 
 
 
 53
 
 
Figura 4.9. Unidade resfriadora - chiller. 
 
 54
5. COMPONENTES DO SISTEMA 
 
Os componentes básicos de circuito de compressão à vapor são mostrados na figura a 
seguir: 
 
 
 
Figura 5.1. Circuito de refrigeração. 
 
5.1. Compressores 
 
• Função: aumentar a pressão do fluido. 
 
• Compressores volumétricos ou de deslocamento positivo: o aumento de 
pressão se dá de forma parcialmente estática, através da redução do volume 
ocupado pelo vapor. São os mais empregados em refrigeração. 
 
• Turbo - Compressores: o gás é acelerado após a passagem pelas palhetas. 
 
• Herméticos: motor e compressor estão isolados na mesma carcaça, sem 
acesso. É o tipo comumente empregado em condicionadores de ar domésticos. 
 
• Semi – herméticos: motor e compressor estão na mesma carcaça, porém existe 
acesso. 
 
• Aberto: motor e compressor estão separados. 
 
• Pode existir mais de um estágio de compressão. 
 
• Os compressores podem ser refrigerados à água ou a ar. 
 
 
 55
5.1.1. Compressores alternativos 
 
 
 
 
Figura 5.2. Compressor alternativo. 
 
 
 
Figura 5.3. Funcionamento de um Compressor alternativo. 
 
 
 
 56
 
 
 
 
Figura 5.5. Compressor hermético. 
 
. 
Figura 5.4. Representação dos estágios de compressão. 
 57
 
 
Figura 5.6. Compressor alternativo de amônia com 16 cilindros. 
 
 
 
 
Figura 5.7. Compressor semi-hermético. 
 
 
 5.1.2. Compressor rotativo 
 
• Pode ser de palhetas simples ou múltiplas. 
 
• Apresentam menor vibração: ao empregados em aparelhos de janela com 
capacidade superior a 12.000 BTU/h (aproximadamente 3,5 kW). 
 
 58
 
 
Figura 5.8. Compressão por pistão rolante. 
 
 
 
Figura 5.9. Compressor rotativo (de palhetas) em corte. 
 
 
 5.1.3. Compressores de parafuso 
 
• Menos peças sujeitas a desgaste. 
 
• Maior razão de compressão. 
 
• Estabilidade quanto à aspiração de líquido. 
 
 
Figura 5.10. Compressor do tipo parafuso. 
 
 59
 
Figura 5.11. Corte transversal dos rotores. 
 
 
 
 
Figura 5.12. Vista explodida dos principais componentes de um compressor parafuso. 
 
 
 
 
Figura 5.13. Um sistema compacto de resfriamento de água com compressor 
parafuso. 
 
 
5.1.4. Compressores centrífugos 
 
• Usado em sistemas de grande capacidade. 
 
• Menor peso, mais compacto, menor vibração. 
 
• O desgaste só ocorre nos mancais principais. 
 60
 
 
Figura 5.14. Compressor centrífugo. 
 
 
 
Figura 5.15. Sistema com compressor centrífugo. 
 
 
5.1.5. Compressor tipo Scroll (caracol) 
 
• Ausência de válvulas de sucção e descarga. 
 
• Baixo ruído e vibração 
 
• São compactos, leves e de alta eficiência. 
 
• Tem origem recente, e vem ganhado espaço na área de refrigeração. 
 
 61
 
 
Figura 5.16. Funcionamento de um compressor caracol. 
 
5.2. Evaporadores 
 
• Retiram calor do meio a ser refrigerado. 
 
• Expansão direta: o calor é retirado pelo fluido refrigerante. 
 
• Expansão indireta: empregam serpentinas de água gelada. Permitem a 
centralização da produção de frio na casa de máquinas. 
 
• Os tubos podem ser lisos ou possuir aletas externas ou internas. 
 
 
 
Figura 5.17. Evaporadores aletados para resfriamento e desumidificação. 
 
 62
 
 
Figura 5.18. Evaporador do tipo tubo e carcaça. 
Figura 5.19. Evaporador seco controlado por válvula de expansão. 
 63
 
 
 
 
 
Figura 5.20. Evaporador tipo inundado. 
 64
 
 
Figura 5.22. Variação das temperaturas no evaporador. 
 
 
 
Figura 5.23. Serpentina de resfriamento. 
 
 Figura 5.21. Processo de trocas térmicas no evaporador. 
 65
 
 
 
Figura 5.24. Um resfriador de líquido na qual o refrigerante se evapora dentro de 
tubos aletados. 
 
5.3. Condensadores 
 
 
 
 
 
Figura 5.25. Condensador tipo duplo tubo. 
 
 66
 
 
 
 
 
 Figura 5.26. Condensador de casco e serpentina. 
 
 
 67
 
 
 
 
Figura 5.27. Condensador resfriado à água do tipo multitubular em carcaça. 
 
 
 
Figura 5.28. Condensador resfriado a ar. 
 
Na tabela a seguir são listados alguns tipos de evaporadores e condensadores: 
 
 
 68
5.4. Torres de Resfriamento e Condensadores Evaporativos 
 
 
 
 
 
Figura 5.29. Torre de resfriamento típica. 
 
 
 
Figura 5.30. Instalação de Torre de resfriamento. 
 
 
 
 69
 
 
Figura 5.31. Esquema de enchimento do interior das torres de resfriamento. 
 
 
• Condensadores evaporativos: composição de condensador e torre de 
resfriamento em uma só peça. 
 
5.31
 70
 
 
Figura 5.32. Esquema de um condensador evaporativo. 
 
 
 
Figura 5.33. Seção das serpentinas de um condensador evaporativo. 
 
 
5.5. Dispositivos de expansão 
 
• Controlam a quantidade de líquido no evaporador. 
 
• Evitam que o vapor seja aspirado pelocompressor em temperatura excessiva. 
 
• Impedem que o líquido seja aspirado pelo compressor. 
 
Tubo capilar: é o dispositivo mais simples. O fluido perde pressão devido ao atrito 
com as paredes do tubo, que podem chegar aos 0,6 mm de diâmetro. O comprimento 
do tubo depende do tipo de fluido e da razão de compressão do sistema. Necessita de 
um torque menor durante a partida do compressor. 
 
Válvula de expansão direta: também camada de válvula de expansão pressostática 
ou automática. O elemento de comando pode ser uma membrana ou diafragma, ou 
fole de fechamento hermético. 
 
 71
 
 
Figura 5.34. Válvula de expansão termostática. 
 
• O funcionamento depende da diferença de pressões na linha do evaporador e 
no ambiente. 
 
• Válvula de expansão termostática: difere da anterior por possuir um bulbo 
térmico. É mais empregada em instalações comerciais e industriais. 
 
• É usada para regular o fluxo de refrigerante, garantindo a evaporação completa 
na serpentina e mantendo um superaquecimento constante do vapor na saída 
da serpentina. 
 
• O movimento do diafragma para baixo afasta a agulha. O contrário estrangula 
a passagem de líquido. Com a temperatura, sobe a pressão do bulbo (Pb). A 
redução da pressão no evaporador (Pev) faz o diafragma desce, facilitando a 
passagem do líquido. 
 
• Na figura abaixo, o ponto A é a abertura original. Com o aumento da carga 
térmica, a abertura passa para o ponto B. Com a diminuição, para o ponto C. 
 
 
Figura 5.35. Regulagem automática da válvula de expansão termostática. 
 
 
 72
 
 
Válvulas de expansão direta com equalização interna de pressão: são indicadas 
quando a queda de pressão ao longo do evaporador é insignificante. 
 
 
 
Figura 5.36. Funcionamento de uma válvula com equalização interna de pressão. 
 
Válvulas de expansão termostática com equalização externa de pressão: quando a 
queda de pressão por atrito no evaporador é elevada. O que implica uma temperatura 
de saturação mais baixa na saída que na entrada. Nesse caso, para manter a 
condição de equilíbrio, é preciso um maior grau de superaquecimento, o que reduz a 
área efetiva de resfriamento do evaporador, comprometendo a eficiência térmica. 
 
Na figura a seguir, é mostrado um sistema com perda de carga no evaporador de 62 
kPa. A tabela indica o comportamento do sistema de acordo com abertura ou 
fechamento da válvula, e adição ou retirada de refrigerante. 
 
 
 
Figura 5.37. Funcionamento de uma válvula com equalização externa de pressão. 
 
 
 
 73
Exemplo de aplicação: considere R 12 circulando no sistema ilustrado na figura a 
seguir. Suponha que a pressão do fluido refrigerante no ponto 2 seja 868 kPa. O 
evaporador oferece uma perda de pressão de 50 kPa. A válvula provoca uma perda 
de pressão de 600 kPa. A pressão imposta pela mola é de 60 kPa. 
 
a) qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma 
válvula de expansão termostática com equalizador interno de pressão? 
b) qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma 
válvula de expansão termostática com equalizador externo de pressão? 
 
 
 
 
 74
 
 
5.6. Linhas de fluido refrigerante 
 
• Proporcionam o trêfego de fluido refrigerante entre os componentes. 
 
• Devem ter baixa perda de carga. 
 
• Em sistemas que utilizam compressores alternativos, sempre há circulação de 
óleo. O projeto de linha deve prever o retorno do óleo ao cárter do compressor. 
 
• A tubulação deve estar levemente inclinada no sentido do fluxo, o que ajuda o 
fluxo de óleo na direção correta. 
 
• Deve estar prevista a absorção de vibrações e curvas de compensação. 
 
 
5.7. Acessórios 
 
Termostato: indicam as variações de temperatura e controlam contatos elétricos. 
 
Visor de líquido: indica a presença de vapor não condensado antes da válvula de 
expansão. 
 
 
Figura 5.38. Alguns tipos de visores de líquido. 
 
 
 
 75
Manômetro: usados para medir pressão em pontos da linha. 
 
Figura 5.39. Manifold utilizado em refrigeração e ar condicionado. 
 
 
Filtro secador: colocado na linha de líquido, serve para retirar a umidade do circuito. 
 
Válvulas de serviço, segurança e solenóide: servem para fechar partes do circuito 
para manutenção, evita o excesso de pressão, e bloqueia o refrigerante na linha de 
líquido antes da válvula de expansão, para evitar retorno de refrigerante. 
 
Presostatos: o pressostato de alta desliga o sistema quando a pressão de descarga é 
excessiva. O pressostato de baixa desliga o sistema quando a pressão de sucção é 
muito baixa. O pressostato de óleo controla a pressão de lubrificação do compressor. 
 
Outros acessórios: acumulador de sucção, separador de óleo, etc. 
 
 
 
 76
6. NOÇÕES DE PROJETO DE CLIMATIZAÇÃO 
 
 
6.1. Princípios 
 
 
 77
 
 
 
6.2. Condições de projeto 
 
 
 78
 
 
 
 
 
 
 
 79
 
 
 
6.3. Estimativa da carga térmica 
 
 
 
 
 
 
 80
6.3.1. Parcelas da carga térmica 
 
 
 
 81
 
 
Tabela 6.1. 
6.1
 82
 
 
 
Tabela 6.2. 
6.1
 83
 
 
Figura 6.1. Insolação x orientação solar da parede. 
 84
 
 
Tabela 6.3 
 85
 
 
Tabela 6.4 
Tabela 6.5 
 86
 
 
 
Tabela 6.6 
Tabela 6.7 
 87
 
 
Tabela 6.8 
 88
 
 
Tabela 6.9 
 89
 
6.11
 90
 
 
 
Tabela 6.10. 
Tabela 6.11. 
 91
 
 92
 
 
 
6.3.2. Determinação da vazão total de insuflamento 
 
Para a determinação da vazão total, é necessário conhecer a taxa de renovação, ou seja, a 
razão entre o ar de renovação (ventilação) e a vazão total insuflada no recinto (lembrando que 
parte de vazão é ar recirculado). 
Em recintos ocupados por pessoas, a admissão de ar externo é uma necessidade, como 
observado no item anterior (na seção infiltração e ar de renovação). A ventilação é 
responsável por uma parte significativa da carga nos equipamentos de refrigeração. As taxas 
em cada recinto devem variar de acordo com sua ocupação (ex: se há fumantes ou não). Em 
algumas aplicações onde o condicionamento de ar se destina ao conforto, a vazão mínima de 
ar externo é de 10 a 20 % da vazão total de ar insuflado. Em aplicações especiais, como, por 
exemplo, salas de operação de hospitais e salas para cobaias, o ar insuflado é inteiramente 
externo, sendo condicionado para satisfazer as condições internas especificadas, não havendo 
recirculação nesse caso. 
A recirculação de ar implica na necessidade de filtragem do mesmo. Assim, a taxa de 
recirculação pode ser definida pela eficiência do filtro. Segundo a norma ASHRAE: 
 
VR VVV &&& += 
 
Onde: 
 
V& é a vazão total de insuflamento (ponto 4 de um sistema de zona simples) 
RV& é a vazão de recirculação 
VV& é a vazão de ventilação (ar de renovação) 
 
E
VVV min0R
&&& −= 
 
0V& é a taxa de renovação prescrita para uma dada aplicação 
minV& é a taxa mínima permissível de renovação prescrita para uma dada aplicação 
E é a eficiência do filtro, dada pela tabela 6.12 
 
 
 
 93
Tabela 6.12. Eficiência de remoção de poeiras (1µm) segundo a ASHRAE. 
 
 
 
Uma vez determinada, a vazão total em volume pode ser convertida em vazão mássica e 
utilizada nos cálculos de dimensionamento sistema (item 4.2). 
 
 
6.3.3. Armazenagem 
 
 
 
 
 94
6.3.4. Zoneamento 
 
 
 
Figura 6.2. Efeito do zoneamento.
6.2
 95
6.3.5. Aquecimento 
 
 
 
 
 
 
6.3.6. Sombreamento 
 
 
Figura 6.3. Ângulos solares. 
 96
 
 97
6.4. Exemplo 
 
Considere a edificação descrita a seguir. Pede-se: 
 
a) Cálculo das carga térmica térmicastotal, sensível latente, FCS e zoneamento 
 
b) Caracterização do estado do ar em cada ponto do sistema 
 
c) Dimensionamento do sistema de refrigeração (Capacidade de refrigeração e vazão 
total) 
 
Descrição da edificação: 
 
O prédio a ser condicionado é uma edificação (v. croquis anexo) a ser usada nos períodos 
da manhã e tarde (de 9:00 às 18:00) para atividades administrativas. 
 
Estimar o número de funcionários e a iluminação necessária segundo as normas 
adequadas. 
 
Contabilize um computador por funcionário. 
 
Localização: Cidade do Rio de Janeiro (22o 54’ 36’’ s). 
 
O Teto é uma laje de concreto com areia e brita, de 8 cm de espessura, coberta com um 
telhado de telhas de cerâmica. 
 
As paredes (internas e externas) são de alvenaria, com 15 cm de espessura e altura de 
3m. 
 
As janelas são de vidro simples com sombreamento e cortinas internas. 
 
As portas são de madeira (para efeito de cálculo, considerar como paredes). 
 
Levar em conta uma taxa de renovação de ar de 10% 
 
Iluminação com lâmpadas fluorescentes. 
 
Desprezar infiltração, sombreamento e armazenamento. 
 
Quaisquer informações faltantes que se julgar necessárias podem ser estimadas e 
agregadas às informações apresentadas no projeto original. 
 98
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Portas: 0,90 x 2,10 m 
 
Janelas: 1,50m de altura 
 
Basculante do banheiro: 0.5 m de altura 
 
Os dois escritórios têm as mesmas dimensões. 
 
A sala de reuniões e a sala de direção têm as mesmas dimensões. 
 
 
10 m 
 
 
 
 Sala da 2 m 1 m 
Direção (D) 
 3 m 4 m 
 Banheiro 
 Sala de reuniões (B) 
 (R) 
 
 
 Corredor (C) 
 
 Escritório (E1) Escritório (E2) 
 
 N 
 16 m 
 
 O L
 
 11 m S 
 8 m 5 m 
 
 99
Solução: 
 
Entradas do projeto: 
 
Ambiente externo (ponto 1 da Fig. 4.1): da Tabela I-A, Tbs = 35o C e Tbu = 26,5o C 
 
Ambiente interno (ponto 2 da Fig. 4.1): da Tabela III, considerando a finalidade “conforto”, 
e tirando a média do intervalo, temos Tbs = 24o C e φ = 50 % 
 
Carga interna da edificação: 
 
Ocupação: segundo a tabela 6.10, para escritórios, temos 6 pessoas/m2 (aplicado aos 
recintos D, E1 e E2). Para salas de conferência, 0,7 pessoas/m2. Será considerada uma 
ocupação de 1 pessoa para o banheiro e nenhuma no corredor. 
 
De acordo com a tabela 6.11, a taxa de metabolismo por pessoa é de 113 kcal/h. Para 
escritórios a 24o C (temperatura do ambiente interno), temos 61 kcal/h e 52 kcal/h para as 
parcelas de calor sensível e latente, respectivamente. Aplicando o fator de conversão de 
1,162 W/(kcal/h), essas taxas se tornam 131 W (metabolismo total) e 71 w/60 W (parcelas 
de calor sensível/latente). 
 
Iluminação: considerando 40 W/m2, é aplicado o multiplicador 1,25 para iluminação por 
lâmpada fluorescente. 
 
Equipamentos: é considerado 1 computador por funcionário fixo (o que corresponde a 2 
funcionários na sala da direção e 9 em cada escritório). Se cada computador operar a 220 
V de tensão, com uma corrente de 1 A, a potência dissipada será considerada como 220 
V x 1 A = 220 W/computador; 
 
Recinto Área 
(m2) 
Ocupação 
(pessoas) 
Carga 
Sensível
(W) 
Carga 
Latente 
(W) 
Ocupação
Carga 
Total (W)
Ilumi-
nação
(W) 
Equipa- 
mentos 
(comp.) 
Equip.
(W) 
Total 
(W) 
D 12 2 142 120 262 600 2 440 1302
R 12 17 1207 1020 2227 600 0 0 2827
B 6 1 71 60 131 300 0 0 431
C 20 0 0 0 0 1000 0 0 1000
E1 55 9 639 540 1179 2750 9 1980 5909
E2 55 9 639 540 1179 2750 9 1980 5909
Total 160 38 2698 2280 4978 8000 20 4400 17378
 
Carga externa da edificação: 
 
Coeficiente de transmissão: 
Da tabela 6.1, temos: 
Paredes (e portas – ver enunciado): U = 2,5 W/m2.oC 
Telhado: U = 1,95 W/m2.oC 
Da tabela 6.2 – Janelas: U = 6 W/m2.oC 
 
Superfícies opacas 
 
DTC das paredes: valor máximo (18 h), extraído da Tab. 6.8. 
DTC do telhado: valor máximo (17 h), extraído da Tab. 6.9. 
 100
 
Parede Área 
Total 
(m2) 
Área 
Opaca 
(m2) 
Área 
Janela
(m2) 
U 
W/m2.oC
DTC 
(o C) 
 
DTC 
Corr. 
(o C) 
Carga 
(W) 
N 30 23,5 6,5 2,5 12,7 19,7 1157 
S 30 30 0 2,5 9,6 16,6 1245 
L 48 36 12 2,5 18 25 2250 
O 48 36 12 2.5 17 24 2160 
Telhado 160 160 0 1.95 37 44 13728 
Total 20540 
 
Superfícies transparentes: 
 
FGCI: valores máximos, extraídos da Tab. 6.3. 
FCR: valores máximos, extraídos da Tab. 6.6. 
CS: extraído da Tab. 6.7. 
 
Janela Área 
(m2) 
U 
W/m2.oC 
DT 
(º C) 
Trans
(W) 
FGCI
 
FCR CS Insol 
(W) 
Carga
(W) 
N 6,5 2,5 11 429 655 0,83 0,6 2120 2549 
S 0 2,5 11 0 199 0,89 0,6 0 0 
L 12 2,5 11 792 764 0,62 0,6 3410 4202 
O 12 2.5 11 792 764 0,81 0,6 4456 5248 
Total 2013 9986 11999
 
Zoneamento 
 
A carga térmica externa é distribuída no recinto proporcionalmente à área das paredes. 
Telhado e janelas daquele recinto. 
 
Se houvesse diferença de temperatura entre os recintos internos, a carga deveria ter sido 
calculada. 
 
Recinto Carga 
interna 
(W) 
Área 
(m2) 
Carga 
telhado
(W) 
Área 
opaca 
(m2) 
Carga 
Paredes
(W) 
Área 
Transp. 
(m2) 
Carga 
Janelas 
(W) 
Total 
(W) 
D 1302 12 1029,6 18.0 983,0 3,0 1176,5 4491,1
R 2827 12 1029,6 9,0 443,0 3,0 1176,5 5476,1
B 431 6 514,8 14,5 833,5 0,5 196,0 1975,3
C 1000 20 1716,0 12,0 735,0 0,0 0,0 3451,0
E1 5909 55 4719,0 36,0 1882,5 12,0 5248,0 17758,5
E2 5909 55 4719,0 36,0 1935,0 12,0 4202,0 16765,0
Total 17378 13728,0 6812,0 11999 49917,0
 
Cálculo da carga térmica: 
 
Carga térmica total: 
 
Carga interna + Carga externa (paredes) + Carga externa (janelas) = 
17378 W + 20540 W + 11999 W = 49917 W 
 
 101
Carga Térmica Latente: 2280 W 
 
Carga Térmica Sensível: 47637 W 
 
FCS: 47637/49917 = 0,954 
 
Resposta do item (a): kW50QT =& ; kW3,2QL =& ; kW7,47QS =& ; FCS = 0,95 
 
Caracterização dos estado do ar: os pontos do sistema são mostrados na Fig. 4.1 
 
Vazão mássica total: considerando 38 pessoas, e uma vazão de ar externo recomendada 
de 27 m3/h por pessoa (v. item 6.3.1, infiltração e ar de renovação), temos que a vazão de 
ar de renovação será: 27 x 38 = 1026 m3/h, ou seja: 
 
s/m285,0V 3V =& 
 
com uma taxa de renovação de 10 %, temos: 
 
s/m57,2V 3R =& 
 
s/m85,2V 3=& 
 
Ponto 1: 
 
Ar externo, TBS1 = 35o C e TBU1 = 26,5o C 
 
W1 = 0,01856 kg-v/kg-ar seco 
h1 = 82,61 kJ/kg 
v1 = 0,898 m3/kg 
 
Ponto 2: 
 
Ar interno, TBS2 = 24o C e φ2 = 0,5 
 
W2 = 0,00929 kg-v/kg-ar seco 
h2 = 47,65 kJ/kg 
v2 = 0,854 m3/kg 
 
Considerando as vazões estimadas para essas condições, é possível determinar as 
vazões mássicas a partir das propriedades do ponto 2: 
 
s/kg34,0
kg/m854,0
s/m285,0
v
Vmm 3
3
2
V
V1 ====
&
&& 
 
s/kg0,3
kg/m854,0
s/m57,2
v
Vmm 3
3
2
R
R'2 ====
&
&& 
 
s/kg34,3
kg/m854,0
s/m85,2
v
V
mmmm 3
3
2
432 ======
&
&&&& 
 102
Ponto 3: 
 
Mistura das correntes 1 e 2: 
 
W3 = 0,01023 kg-v/kg-ar seco 
h3 = 51,21 kJ/kg 
T3 = 25,1o C (0,13 % de erro, aplicando a média ponderada) 
v3 = 0,853 m3/kg 
 
Ponto 4: 
 
A partir da equação: 
 
)hh(mQ 42T −= && 
 
Obtém-se: 
 
h4 = 32,68 kJ/kg 
 
Com o valor de FCS, obtém-se: 
 
T4 = 9,7o C 
 
W4 =0,00912 kg-vapor/kg-ar seco 
 
v4 = 0,813 m3/kg 
 
 
Resposta do item (b): o estado do ar em cada ponto é mostrado na tabela a seguir. 
 
Propriedade \ ponto 1 2 3 4 
T (O C) 35 24 25,1 9,7 
h (kJ/kg) 82,61 47,65 51,21 32,68 
W (kg-vapor/kg-ar seco) 0,01856 0,00929 0,01023 0,00912 
v (m3/kg) 0,0898 0,0854 0,858 0,813 
 
Dimensionamento do sistemaA vazão total já foi determinada. Falta determinar a capacidade de refrigeração. 
 
)hh(mQ 34R −= && 
 
kW9,61)21,51kg/kJ68,32(s/kg34,3QR =−=& 
 
Resposta do item (c): 
Vazão mássica total: 3,34 kg/s 
Vazão volumétrica: 2,85 m3/s 
Capacidade de refrigeração: 62 kW 
 103
7. VENTILAÇÃO 
 
7.1. Dimensionamento da rede de dutos 
 
 
 
 
7.1.1. Arbitragem de velocidades 
 
 Figura 7.1. Rede de dutos. 
7.1
 104
 
 
 
 
Tabela 7.1.
 105
7.1.2. Método de igual atrito 
 
 
 
 
 106
 107
 
 
 
 
 
7.1.3. Método da recuperação de pressão 
 
 
 
 
Tabela 7.2.
 108
 
 
Figura 7.2. Rede de dutos. 
 109
 
 
Gráfico 1 – Relação L/Q 
 
 
 
 
 
Gráfico 2 – Velocidade do ar após derivação 
 
 
 
 
 110
 
 
 
 111
7.2. Estimativa da perda de carga 
 
 
 
 
 112
 
 
Figura 7.3. Ábaco de Moody 
 113
 
 
 
Figura 7.4. Determinação da rugosidade relativa em função do diâmetro e características 
do tubo. 
 
 
 114
 
Tabela 7.3.
Tabela 7.4.
Tabela 7.5.
 115
 
 
 
 
 
 
Tabela 7.6.
 116
 
 
 
Tabela 7.8.
Tabela 7.7.
Tabela 7.9.
7.9 
 117
 
 
 
Tabela 7.10. 
Tabela 7.11.
 118
7.3. Distribuição do ar 
 
 
 
Grelhas de retorno 
 
 
 
 
 
 119
 
 
 
Bocas de insuflamento 
 
 
 
 
 
Figura 7.5. Difusor típico. 
 
 
Figura 7.6. Insuflamento de ar em um ambiente. 
 120
 
 
 
 
Figura 7.7. Algumas conseqüências da indução de ar externo. 
. 
 
 
 
Figura 7.8. Queda de um jato de ar frio e desvio ao atingir um obstáculo. 
 
 
Chapas galvanizadas 
 
 
 121
Tabela 7.12. Bitolas de chapas para a fabricação de dutos rígidos em sistemas de 
baixa pressão (velocidades ata 10 m/s). 
 
 
 
 
 Casa de máquinas 
 
 
 
 
Figura 7.9. Esquema de uma casa de máquinas. 
 
 122
Isolamento da rede de dutos 
 
 
Figura 7.10. sistema de isolamento dos dutos. 
 
 
 
Suporte dos dutos 
 
 
 
 Filtros 
 
 
 
 
 
7.13
 123
Tabela 7.13. Resumo dos tipos de filtros para climatização – NB-10. 
 
 
 
 
 Tomada de ar externo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 124
 
 
Tabela 7.14. Resumo de alguns tamanhos comerciais de tomadas de ar externo. 
 
 
 
 
7.4. Ventiladores 
 
Uma vez que foi determinado o traçado dos dutos e calculada a perda de carga, é 
necessário dimensionar o ventilador responsável pela circulação do ar no sistema de 
dutos com a vazão desejada. O ventilador deve ser capaz de gerar um pressão de saída 
superior à queda de pressão do ar nos dutos, desde a admissão até a exaustão. O tipo 
mais comumente empregado de ventilador são os centrífugos. A seguir, serão vistos 
detalhes do funcionamento, dimensionamento e ajustes dos ventiladores usados em 
condicionamento de ar. 
 
7.4.1. Ventiladores centrífugos e suas características 
 
 
 125
 
 
 
 
 
Figura 7.11. Ventilador centrífugo. 
Figura 7.12. Características de desempenho de um ventilador centrífugo de pás 
curvas voltadas para a frente, com diâmetro de roda e largura iguais a 270 mm, e 
dimensões do duto de saída de 0,517 por 0,289 mm. 
 126
 
 
 
 
 
 127
7.4.2. Leis dos Ventiladores 
 
 
 128
 
 
 
 
 129
7.5. Exemplo 
 
A partir do exemplo 6.4, traçar e dimensionar a tubulação de distribuição do ar. Calcular a 
perda de carga. 
 
Empregar o método da arbitragem de velocidades. 
 
Supor que todas as grelhas têm profundidade de penetração de 3m e perda de carga 
desprezível. 
 
Solução: Uma distribuição possível é mostrada a seguir. Um self-contained de expansão 
indireta é empregado, e a unidade de condensação é colocada na face sul, de modo a 
reduzir a insolação. Os quadrados brancos são as grelhas de insuflamento do 
corredor.Para o retorno serão empregadas grelhas nas portas dos recintos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 m 
 
 
 
 Sala da 2 m 1 m 
Direção (D) 
 3 m 4 m 
 Banheiro 
 Sala de reuniões (B) 
 (R) 
 
 
 Corredor (C) 
 
 Escritório (E1) Escritório (E2) 
 
 N 
 16 m 
 
 O L
 
 11 m 5 m S 
 8 m 
 
SELF 
CONTAINED
UNIDADE DE 
CONDENSAÇÃO 
 130
Os componentes e dimensões da tubulação são marcados a seguir. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
De acordo com a tabela 7.1, na coluna Escolas, teatros e edifícios públicos, as 
velocidades recomendadas são: 
Duto principal: 5 a 6,5 m/s, média de 5,75 m/s 
Ramais horizontais: 3 a 4,5 m/s, média de 3,75 m/s 
Ramais verticais (não há no projeto) 
 
Para facilitar os cálculos, adotaremos uma única velocidade, média das médias, de 4,75 
m/s, arredondando para 5 m/s. tal velocidade se encontra abaixo do máximo para ambos 
os casos. As vazões listadas são obtidas proporcionalmente á carga térmica do recinto. 
Nos casos 5,6 e 7, como há duas grelhas em cada recinto, elas deverão ser somadas 
para obter o total do recinto. 
 
 
Recinto Carga 
térmica 
(W) 
Vazão 
Volumétrica 
(m3/s) 
D 4491,1 0,256 
R 5476,1 0,313 
B 1975,3 0,113 
C 3451,0 0,197 
E1 17758,5 1,014 
E2 16765,0 0,957 
 49917,0 2,85 
 
Admissão
e 
Saídas 
Vazão 
Volumétrica 
(m3/s) 
V1 2,850 
V2 0,113 
V3 0,313 
V4 0,256 
V5 0,479 
V6 0,507 
V7 0,099 
 V4 V3 V2
 V1
1 m
3 m4 m
5 m
0,5 m 
 2 m
1 m
 3 m
 6 m
5 m 2,5 m 
 V6 V5
 V5 V6
 V7 
 131
Com a velocidade fixada, é possível encontrar a área da seção do tubo. Para o 
dimensionamento dos tubos retangulares, será considerada uma altura fixa de 30 cm. Em 
um projeto real, essa altura pode (ou deve) variar, para se adaptar à utilização ou manter 
uma razão de aspecto aceitável. Uma vez fixada a altura, é encontrada a largura do tubo. 
Na figura a seguir, os elementos são numerados para determinação de suas 
características. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tubos retos (perda de carga contínua) 
 
item Vazão 
(m3/s) 
Vel. 
(m/s) 
Área 
(m2) 
Altura
(m) 
Largura
(m) 
Dh 
(m) 
Re f L 
(m) 
P.C. 
(Pa) 
1 2.850 5 0.570 0.30 1.90 0.52 1.7x105 0.017 1.0 0.48 
3 0.113 5 0.023 0.30 0.08 0.12 4 x 104 0.022 1.0 2.67 
4 2.737 5 0.547 0.30 1.82 0.52 1.6x105 0.017 1.5 0.72 
6 2.638 5 0.528 0.30 1.76 0.52 1.6x105 0.017 1.5 0.73 
8 0.313 5 0.063 0.30 0.21 0.25 8 x 104 0.020 1.0 1.19 
9 2.325 5 0.465 0.30 1.55 0.50 1.6x105 0.017 1.0 0.49 
11 0.353 5 0.071 0.30 0.24 0.26 8 x 104 0.020 2.5 2.77 
13 0.254 5 0.051 0.30 0.17 0.22 7 x 104 0.020 0.5 0.68 
15 0.254 5 0.051 0.30 0.17 0.22 7 x 104 0.020 1.0 1.35 
16 1.972 5 0.394 0.30 1.31 0.49 1.6x105 0.017 3.0 1.53 
18 0.479 5 0.096 0.30 0.32 0.31 1.0x105 0.019 2.0 1.80 
19 0.507 5 0.101 0.30 0.34 0.32 1.0x105 0.019 2.0 1.75 
20 0.986 5 0.197 0.30 0.66 0.41 1.3x105 0.018 6.0 3.85 
22 0.479 5 0.096 0.30 0.32 0.31 1.0x105 0.019 2.0 1.80 
23 0.507 5 0.101 0.30 0.34 0.32 1.0x105 0.019 2.0 1.75 
V4 V3 V2
V1
V6 V5
V5V6
V7 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
 132
Para o cálculo da perda de carga contínua (tubos retos), o número de Reynolds foi obtido 
a partir de uma viscosidade cinemática do ar de 15,7 x 10-6 m2/s, utilizando o diâmetro 
hidráulico dos tubos de seção retangular. A rugosidade relativa usadafoi a do aço 
comercial (0,00015). A massa específica foi baseada no estado do ar no ponto 2: 
 
ρ = 1/v2 = 1,171 kg/m3. 
 
Acessórios (perda de carga Localizada) 
 
item Tipo F Vel. de 
entrada
(m/s) 
P.C. 
(Pa) 
2 Bifurcação 1,00 5 14,6 
5 Grelha 
(ignorar) 
- 
7 Bifurcação 1,00 5 14,6 
10 Bifurcação 1,00 5 14,6 
12 Grelha 
(ignorar) 
- 
14 Curva 1,04 5 15,2 
17 Bifurcação 1,00 5 14,6 
21 Bifurcação 1,00 5 14,6 
 
Na curva 14 foi usado H/L de 2 (o mais próximo da razão correta, 1,77), considerando 
canto vivo. Para as bifurcações, assumiu-se que o fator de perda F é unitário, já que seu 
cálculo depende do conhecimento detalhado de cada uma. Pode-se observar que as 
perdas em elementos localizados são bem maiores que nos tubos. Isso se deve ao 
pequeno comprimento dos mesmos. 
 
Agora, é necessário encontrar a saída que produzirá a maior perda de carga. Em um 
projeto real, é necessário calcular a perda de carga para todas as saídas. No nosso caso, 
as candidatas naturais são as saídas dos tubos 15, 22 e 23, que possuem as maiores 
extensões. 
 
Perda de carga em cada linha 
 
Item 1 2 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 Total
P. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 2,77 0 0,68 15,2 1,35 66,22
Item 1 2 4 5 6 7 9 10 16 17 20 21 22 Total
P. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 1,53 14,6 3,85 14,6 1,80 82,60
Item 1 2 4 5 6 7 9 10 16 17 20 21 23 Total
P. C 0,48 14,6 0,72 0 0,73 14,6 0,49 14,6 1,53 14,6 3,85 14,6 1,75 82,55
 
Assim sendo, a maior perda de carga é de 82,6 Pa. O ventilador selecionado deve suprir 
essa diferença de pressão para garantir a vazão prescrita na linha. Como as outras 
ramificações têm perdas menores, suas válvulas deverão ser ajustadas para produzir as 
vazões desejadas. 
 
 133
8. REFRIGERANTES 
 
 
8.1. Fluidos primários e secundários 
 
Fluidos primários: são os fluidos usados no ciclo de compressão do vapor. Serão 
tratadas em detalhe na seção a seguir. 
 
Fluidos secundários: transferem energia da substância que está sendo refrigerada 
para o evaporador de um sistema de refrigeração. Não apresenta mudança de 
fase: a absorção e rejeição de calor se dão por mudança de temperatura. 
Exemplos: água, anticongelantes (mais usados:propileno-glicol, etileno-glicol, 
cloreto de cálcio) e salmouras. 
 
 
8.2. Tipos de refrigerantes primários 
 
Hidrocarbonetos halogenados: são os CFCs. A nomenclatura segue o seguinte 
padrão (ASHRAE): 
 
1º algarismo: número de átomos de carbono -1 (omitir o zero). 
 
2º algarismo: número de átomos de hidrogênio +1. 
 
3º algarismo: número de átomos de flúor. 
 
 
 
Misturas azeotrópicas: não podem ser separadas em seus componentes por 
destilação, ou seja, evapora e se condensa como uma substância simples. 
Exemplos: R500 e R502. 
 
Hidrocarbonetos: usados como refrigerantes nas indústrias petroquímicas. 
Exemplos: R50 (metano), R170 (etano), R290 (propano). 
 
Compostos inorgânicos: os principais tipos são listados abaixo. 
 
 134
 
 
 135
BIBLIOGRAFIA 
 
American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE 
Fundamentals Handbook, 1997. 
 
Creder, H., Instalações de Ar Condicionado, LTC, 1985. 
 
Da Silva, J. G., Introdução à Tecnologia da Refrigeração e da Climatização, 
Artliber, 2004. 
 
Da Silva, R. B., Ar Condicionado, EPUSP, 1968. 
 
Da Silva, R. B., Instalações Frigoríficas, EPUSP, 1979. 
 
Dossat, R. J., Princípios de Refrigeração, Hemus, 1980. 
 
Elonka, S. M., Minich, Q. W., Manual de Refrigeração e Ar Condicionado, McGraw-
Hill, 1978. 
 
Jones, W. P., Engenharia do Ar Condicionado, Campus, 1983. 
 
Mesquita, A. L. S., Guimarães, F. A., Nefussi, N., Engenharia de Ventilação 
Industrial, CETESB, 1977. 
 
Stoecker, W. F., Jones, J. W., Refrigeração e Ar Condicionado, McGraw-Hill, 1985. 
Torreira, R. P., Isolamento Térmico – Frio & Calor, Fulton, 1980. 
 
U.S. Navy Bureau of Naval Personnel Training, Refrigeração e Condicionamento de 
Ar, Hemus, 1980. 
 
Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E., Fundamentos da Termodinâmica Clássica, 2ª 
edição, Edgard Blücher, 1976. 
 
 
 
 136
ANEXO - PROPRIEDADES DO AR E DOS FLUIDOS REFRIGERANTES 
 
Tabela A.1. Propriedades da água saturada 
Tabela A.2. Propriedades do Ar úmido à pressão atmosférica 
Tabela A.3. Amônia 
Tabela A.4. R11 
Tabela A.5. R12 
Tabela A.6. R22 - saturado 
Tabela A.7. R22 – superaquecido 
Tabela A.8. R-502 
Figura A.1. Amônia – Diagrama P x h 
Figura A.2. R11 – Diagrama P x h 
Figura A.3. R12 – Diagrama P x h 
Figura A.4. R22 – Diagrama P x h 
Figura A.5. R502 – Diagrama P x h 
 137
Tabela A.1. Propriedades da água saturada 
 
 
 
 138
 139
Tabela A.2. Propriedades do Ar úmido à pressão atmosférica – 101.325 kPa 
 
 
 140
 
 141
Tabela A.3. Amônia 
 
 
 142
 
 143
Tabela A.4. R11 
 
 
 144
 145
Tabela A.5. R12 
 
 
 
 146
 147
Tabela A.6. R22 - saturado 
 
 
 148
 149
Tabela A.7. R22 – superaquecido 
 
 
 
 150
 151
 152
Tabela A.8. R-502 
 
 
 
 153
 154
Figura A.1. Amônia – Diagrama P x h 
 
 
 155
Figura A.2. R11 – Diagrama P x h 
 
 156
Figura A.3. R12 – Diagrama P x h 
 
 157
Figura A.4. R22 – Diagrama P x h 
 
 158
Figura A.5. R502 – Diagrama P x h