EXERCÍCIOS-DE-REFRIGERAÇÃO-E-AR-CONDICIONADO

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EXERCÍCIOS DE
REFRIGERAÇÃO E
AR
CONDICIONADO
1- Desenhe uma torre de arrefecimento típica e indique os nomes dos seus componentes:
As torres de arrefecimento têm como função arrefecer a água utilizada na condensação dos
fluidos refrigerantes.
VENTILADOR AXIAL ELIMINADOR DE GOTAS
ENCHIMENTO DE CONTATO
DISTRIBUIÇÃO DE ÁGUA
VENEZIANA PARA ENTRADA DE AR
BACIA COLETORA
Figura 1- Torre de arrefecimento típica e detalhe do enchimento
O enchimento detém a queda direta da água, aumentando a superfície de troca e o tempo
de contato.
2- Quais são os parâmetros a serem considerados ao selecionar uma torre de arrefecimento?
Para uma adequada escolha de uma torre de arrefecimento é preciso conhecer o limite de
resfriamento da água. Se a água é resfriada em contato com o ar o ponto limite de equilíbrio a ser
atingido é a temperatura do bulbo úmido do ar ambiente, ou seja: a água não poderá ser resfriada
a uma temperatura inferior à TBU do ar. Além disso é preciso considerar a carga térmica do
ambiente a ser climatizado e a temperatura de entrada da água quente. É importante registrar que
a capacidade da torre é aproximadamente 25% superior à carga térmica ambiente, uma vez que o
calor gerado no processo de compressão deverá ser retirado no processo de condensação pela
água.
3- Qual a função de uma válvula de expansão termostática em um sistema de refrigeração?
A válvula de expansão termostática é usada para regular o fluxo do refrigerante a fim de
garantir que ele evapore totalmente na serpentina, para garantir a redução da pressão do sistema e
ainda para manter um superaquecimento constante do vapor que deixa a serpentina. Elas podem
ser do tipo equalização externa e equalização interna.
Figura 2- Esquema de funcionamento de uma válvula com equalização interna de pressão.
As válvulas de expansão termostáticas com equalização externa de pressão são utilizadas
quando, ao fluir através do evaporador, o fluido sofrer uma queda de pressão elevada devido ao
atrito. Dessa forma, sua temperatura de saturação é sempre mais baixa na saída do que na
entrada. Como exemplo, considere a válvula com equalização externa de pressão, ilustrada na
Figura 3, montada em um sistema com perda de carga no evaporador de 62kPa.
Figura 3- Funcionamento de uma válvula com equalização externa de pressão.
A tabela a seguir indica o que acontece quando abrimos, fechamos ou adicionamos mais
fluido refrigerante no sistema.
Procedimento* Superaquecimento
Aumenta diminui Abrir válvula x Fechar válvula x Adicionar refrigerante x
Retirar refrigerante x * girar no sentido horário fecha a válvula; girar no sentido anti-horário abre
a válvula.
4- Explique o que é grau de superaquecimento do fluido refrigerante. Por que ele é utilizado?
O superaquecimento do fluido refrigerante à saída do evaporador, definido entre a
diferença da temperatura de sucção (Ts) e a temperatura de evaporação saturada (Tev) pode ser
medida através de um manifold, termômetro de bulbo ou eletrônico (com sensor de temperatura),
isolante e tabela de conversão pressão-temperatura para o fluido refrigerante. Para tanto devemos
colocar o bulbo em contato com a linha de sucção. A superfície deve estar limpa e a medição
deve ser feita na parte superior do tubo, para evitar leituras falsas. Isole o bulbo ou sensor com o
isolante de modo a isolá-lo da temperatura ambiente. Instale o manifold nas linhas de descarga
(manômetro de alta) e sucção (manômetro de baixa). Depois que as condições de funcionamento
se estabilizarem leia a pressão no manômetro da linha de sucção. Da tabela de R-22 obtenha a
temperatura de evaporação saturada (Tve). No termômetro leia a temperatura de sucção (Ts).
Faça várias leituras da temperatura. Subtraia a temperatura de evaporação saturada (Tev) da
temperatura de sucção, a diferença é o superaquecimento. Se o superaquecimento estiver entre
4°C e 6°C, a regulagem da válvula de expansão está dentro do padrão. Se estiver abaixo, muito
refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário fechar a válvula (girar parafuso de
regulagem para a direita no sentido horário). Se o superaquecimento estiver alto, pouco
refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário abrir a válvula (girar parafuso de
regulagem para a esquerda no sentido anti- horário).
5- Considere CFC 12 circulando através do sistema ilustrado na figura. Suponha que a pressão do
fluido refrigerante no ponto 2 de 868kPa. O evaporador oferece uma perda de pressão de 50kPa.
A válvula provoca uma perda de pressão de 600kPa. A pressão imposta pela mola é de 60kPa. 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?
Condensador
Bulbo
FR
4
2 3
VET
Evaporador
FR
1
Solução: Podemos calcular a pressão 4 da forma:
P4= P2 – ∆P válvula – ∆P serpentina = 868 - 600 - 50= 218 kPa
a) Observe o balanço de pressões no diafragma da válvula com equalização interna de
pressão. No equilíbrio temos:
PB
PB = PM + P3 PB = 60 + 268=328kPa TB = Tsat (PB)=1,9°C (Tabela de propriedades para R12)
PM
P3
∆T = T4 – Tsat(P4) ∆T = 1,9 – Tsat(218kPa) = 1,9 – (-10,2°C)= 12,1°C
b) Numa válvula com equalização externa de pressão, o balanço de pressão sobre o bulbo
fornece:
PB
PB = PM + P4 PB = 60 + 218 = 278kPa TB = Tsat (PB)= -3,1°C
Como T4 = TB tem-se:
∆T = T4 – Tsat(P4)
PM P4
∆T = -3,1-(-10,2) =7,1°C
Nesse exemplo pode-se concluir que a válvula de expansão termostática com equalização
externa é a mais adequada, uma vez que mantém o grau de superaquecimento dentro do que é
considerado normal.
6- Como funciona um sistema fan-coil chiller com termoacumulação e por que ele é utilizado?
Nestes sistemas o ambiente a ser climatizado troca calor com um equipamento
composto por uma serpentina e um ventilador (fan-coil). Pela serpentina tem-se água fria em
circulação, proveniente do chiller. A troca térmica envolvida no fan-coil é apenas na forma
sensível. Geralmente a água entra no fan-coil a uma temperatura de 7°C e sai a uma
temperatura de 12°C. O calor retirado do ambiente climatizado é levado através da água em
circulação é trocado com o fluido refrigerante no evaporador do chiller. Este fluido
refrigerante é condensado através do uso de um fluxo de água que circula através de uma torre
de arrefecimento. O fluxo de água necessário para este processo pode ser calculado através do
conhecimento das propriedades do fluido refrigerante ou através da equação da troca de calor
sensível aplicada para a água.
Uma composição típica deste sistema com termoacumuladores de gelo é muito
utilizada para economizar energia nos horários de pico de consumo de energia elétrica. O
sistema de refrigeração (chiller) é utilizado para fabricar gelo durante a madrugada a um custo
de energia mais baixo. A água gelada proveniente do fan-coil é desviada para atravessar os
tanques de gelo, fazendo com estes exerçam o papel do chiller no final da tarde e início da
noite, quando o custo da energia elétrica é mais elevado.
7- Desenhe um sistema do tipo fan-coil chiller com torre de arrefecimento e sistema de
termoacumulação. Indique os nomes dos principais componentes (água gelada, água de
condensação, água de resfriamento dos banco de gelo, fan-coil, chiller, bomba, torre de
arrefecimento).
Torre de arrefecimento
Fan-coil
Trocador de calor (Condensador) Tanque de gelo
Agua gelada
Trocador de calor (Evaporador)
8- Considere um sistema de climatização para um auditório de carga térmica de 50TR.
Considere que as condições do ar externo são TBS = 32°C e UR de 65%. Suponha que a
temperatura de saída da água arrefecida pela torre seja 2°C superior ao TBU do ar
externo. Nestas condições, considerando um ∆T de 5°C, calcule qual a vazão de água (em
litros por segundo) que deve circular pela bomba para o pleno funcionamento do sistema.9- Considere que uma torre de arrefecimento opere com uma vazão de 2000 litros de água
por hora e que o diferencial de temperatura de sua entrada e saída seja de 7°C. Calcule
qual a capacidade da torre de arrefecimento em TR. (1TR = 3,517kW) (cag=4,186kJ/kg°C)
Chiller
10- Por que os sistemas de termoacumulação são utilizados em instalações de climatização de
grande porte? R. Com o aumento de custo de energia elétrica e devido ao fato das fontes de
geração hidroelétrica, nosso principal recurso energético, estarem se esgotando ou cada vez mais
distantes dos centros de consumo, começou-se a implantar no país uma tarifação diferenciada nos
horários de maior consumo de energia. Essa medida visa um melhor aproveitamento da
capacidade das usinas que praticamente tem operado no limite de geração nos horários de pico e
ociosa nos demais períodos. Atualmente as concessionárias de energia elétrica praticam uma
tarifação mais elevada em apenas três horas por dia, mas a exemplo de outros países, esse
período tenderá a ser ampliado. Em um edifício, o sistema de ar condicionado é um dos maiores
responsáveis pelo consumo de energia elétrica e um projeto adequado pode reduzir em muito a
conta de eletricidade no final do mês. A termo-acumulação não leva a um menor consumo de
energia. A redução do custo de energia elétrica é conseguida com a redução na potência da
subestação e devido a uma transferência no horário de produção do frio, do horário de pico, onde
a tarifação é mais elevada, produzindo e armazenando frio a noite quando a energia é mais
barata. Outro fato que favorece o uso da termo-acumulação é o fato da mesma proporcionar uma
redução na potência instalada. A carga térmica necessária na maioria das instalações de ar
condicionado é variável, devido ao fato de serem também variáveis a carga de insolação e a
própria ocupação dos ambientes. Em um sistema de ar condicionado convencional, a capacidade
tem que ser baseada no horário de maior carga térmica, o que conseqüentemente faz com que os
equipamentos fiquem superdimensionados e ociosos na maior parte do tempo. Na
termo-acumulação pode-se dimensionar os equipamentos com uma capacidade inferior a
capacidade do horário de pico, sendo a diferença completada pela queima da energia térmica
acumulada em outro horário. Com isso, consegue-se instalações com potências menores e,
conseqüentemente, menores subestações e menores demandas contratadas de energia elétrica.
11- Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada?
R. É o meio mais simples e eficiente de armazenamento térmico. Durante o período no qual a
carga térmica é reduzida ou no qual a instalação não está sendo utilizada, os chiller são ligados
para armazenar água gelada em reservatórios isolados termicamente. Os reservatórios podem ser
construídos tanto em chapa de aço como em concreto, sendo constituídos com várias câmaras
interligadas segundo a técnica denominada “labirinto” ou mesmo em tanques unicelulares do tipo
estratificado que reduzem as perdas por mistura e transmissão, aumentando a eficiência dos
mesmos.
12- Quais as limitações de um sistema de termoacumulação que usa tanques de água
gelada?
R. O tanque de água gelada tem duas limitações principais: o volume - é superior a solução de
acumulação com gelo e em determinadas obras não há espaço disponível ou o espaço tem
elevado valor comercial; A pressão - para pressões elevadas o tanque se torna inviável
economicamente, o que limita a aplicação para prédios mais baixos.
13- Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de gelo?
R. Os tanques de gelo, diferentemente dos tanques de água gelada, necessitam de dois ciclos
distintos: Ciclo de carga ou produção de gelo, no qual é formado gelo no interior dos tanques;
Ciclo de descarga ou queima, no qual é consumido o gelo previamente acumulado. Existem
diferentes tipos de tanques com diferentes concepções de acumulação de gelo. Os principais
fornecedores destes tanques são: Alpina, Semco-Bac e Criogel. Nos sistemas de termo-
acumulação em gelo é necessário a introdução na água do circuito de água gelada de uma
substância, geralmente etilenoglicol ou propilenoglicol, cuja função principal é abaixar o ponto
de congelamento da água permitindo a formação de gelo nos tanques. Esta mistura irá circular
através do chiller e dos fan coils. No ciclo de consumo ou queima, a solução de água e
etilenoglicol é resfriada ao passar pelos tanques, saindo do tanque a uma temperatura em torno
de 2o C, sendo misturada com a solução proveniente do chiller, a uma temperatura mais elevada
e enviada novamente aos climatizadores a uma temperatura em torno de 5 a 7o C.
14- Como funciona o sistema de termoacumulação que ice-balls?
R. Este sistema proporciona uma redução da capacidade projetada dos resfriadores e seus
periféricos, economia no custo da energia empregada em sistemas de ar condicionado de grande
porte, aumento da confiabilidade do sistema pelo uso de duas fontes de frio, e substancial ganho
de espaço em áreas nobres quando comparado com outros sistemas de
acumulação de energia térmica. As “Ice Balls” são pseudo-esferas em polímero plástico, que são
armazenadas em reservatórios (tanques) de qualquer formato ou dimensão, adequando-se às
necessidades e disponibilidades da obra.
15- Descreva fisicamente qual a relação entre a pressão de saturação do ar e a umidade relativa.
R. Sabemos que quanto maior a temperatura do ar, mais umidade pode ser dissolvida nele. Em
uma dada temperatura, no limite da capacidade do ar absorver esta umidade temos o ar saturado
com umidade relativa 100% e pressão de saturação (p
sat
). O ar é uma composição de ar
seco e umidade e cada um destes componentes tem uma pressão. A pressão da umidade
chama-se pressão parcial de vapor. Quanto mais umidade dissolvida no ar, maior esta pressão de
vapor - até o limite de p
sat
(que é a máxima pressão parcial do vapor possível para aquela
dada temperatura). Como a definição da umidade relativa é a relação entre pressão parcial de
vapor (p
v
) e a pressão de saturação (valor fixo e definido para cada temperatura) temos que
quanto maior a pressão parcial de vapor, maior a umidade relativa do ar.
16- O ar de uma sala atravessa uma serpentina de resfriamento e desumidificação (SRD).
Calcule qual a capacidade da SRD se a condição de entrada foi de TBS = 30°C e UR de
50% e a de saída foi de 20°C e UR de 40%. A vazão do ar que atravessou a serpentina foi
de 7200m3/h.
R. Para o cálculo do fluxo de massa de ar que atravessa a SRD é preciso conhecer o volume
específico do ar na entrada da mesma. Este valor é obtido a partir da marcação da condição de
entrada do ar na SRD na carta psicrométrica. Desta forma obtém-se v=0,878m3/kg. O fluxo de
massa (kg/s) é obtido pela relação entre vazão (em m3/s) por o volume específico. Na carta
psicrométrica devemos obter ainda as entalpias do ar na condição de entrada e de saída da SRD.
q x
SRD
= )hh.(m x ar 21 - = 7200 3600
. 8780 ,
1
,.(
35564 - kW,) = 1867 Observe ainda as unidades envolvidas no balanço de energia envolvendo a
SRD.
kW =
kg s
.
⎛ │ │ ⎝
⎞
s kJ kg
│ │ ⎠
=
kJ
17– Um fluxo de 4800 m3/h de ar a temperatura de 30°C e UR de 50% é misturado com um
fluxo de 10800m3/h de ar a uma temperatura de 20°C e UR de 50%. Calcule qual a
temperatura e a entalpia final da mistura do ar. Considere a densidade do ar como sendo
1,2 m3/kg.
Um balanço de energia em um volume de controle envolvendo a junção dos dois fluxos de ar
fornece:
h.mh.mh.m x
332211 +
x = x - -- > h 3 = h.mh.m
x
2211
m + x
3
x =
8446
kg/kJ,
Traçando-se uma linha reta ligando os pontos 1 e 2 e uma reta a partir da entalpia 3 calculada
obtemos na intersecção o ponto 3 na carta psicrométrica. Desta forma: TBS3=23,2C.
18- Calcule através da equação matemática, a entalpia específica do ar que encontra se na
temperatura de 40°C e umidade absoluta de 16 g de vapor d’água por kg de ar seco (ou
0,016 kgv/kga).
R. A equação para calcular a entalpia é:
TBS.,h = 0071 + .(w2501 + 8051 )TBS., Logo, substituindo-se valores temos:
.,h = 0160400071 + .(, 2501 + 408051 kg/kJ,)., = 4581 19- Uma vazão de 6400m3/h de ar
atravessa uma serpentina elétrica que libera 12kW de potência de aquecimento. Se a
temperatura de entrada do ar foi de 15°C e UR de 50%, calcule qual a TBS final e qual
entalpia do ar na saída? Considere que a densidade do ar na entrada da serpentina é de
1,225 m3/kg.
R. Observe que a condição do ar antes de atravessar a serpentina pode ser obtida na carta
psicrométrica a partir dos dados de TBS e UR apresentados (Observe que h1 = 29kJ/kg).
q x
aquec
= )hh.(m x ar 1212 - ⇒ = ⎛ │ ⎝
2251
.,
3600
6400 ⎞ │ ⎠
292
- ⇒ 2 = 12
,
+ = kg/kJ,
Na carta, traçando uma reta horizontal partindo do ponto 1 e cruzando-a com a reta da entalpia
calculada temos TBS2=19C. Observar que a umidade absoluta da condição do ar na entrada é a
mesma que a umidade absoluta do ar na saída.
20 Calcule a densidade do ar atmosférico a T=25°C e pressão de 96,5kPa e de posse deste
resultado estime qual a massa de ar existente em uma sala de aula fechada com largura de 15m,
comprimento de 10m e altura de 3m.
R. Considerando-se que o ar atmosférico na pressão dada comporta-se como um gás-
perfeito podemos utilizar a equação dos gases perfeitos (Clapeyron) para obter a
densidade.
)...(,V.m
kg, h.(
h) 1772
513429
ρ
=
T.Ra p
= 287
.(, 25035 96500 +
15273 ), =
1271
m/kg,
3
=
ρ
= 310151271 = 15507 21- Um jato de ar a uma temperatura de 18°C passa dentro
de um duto não isolado
através de um ambiente a TBS de 32°C e umidade relativa de 60%. Nestas condições
haverá condensação sobre o duto ?
R. Para resolver este tipo de questão, basta utilizar a carta psicrométrica. Marcar o ponto
referente à temperatura e umidade relativa do ar externo e traçando uma linha horizontal da
direita para a esquerda, verificar o ponto em que há cruzamento com a linha de saturação. A
temperatura encontrada neste caso é de cerca de 23°C. Neste ponto, situa-se a temperatura de
orvalho do ar externo, ou seja, se a temperatura do ar é resfriada abaixo deste valor, haverá
condensação. Neste exemplo a temperatura de orvalho é de 23°C e a temperatura da face externa
do duto é praticamente de 18°C (não há isolamento e a condutividade da chapa é elevada), o que
faz com que a condensação da umidade seja inevitável. A solução deste problema geralmente é
conseguida através do isolamento do duto. Conclusão: Haverá condensação sobre a face externa
do duto porque a Temperatura da chapa é menor que a Temperatura de orvalho do ar externo.
22- Uma garrafa térmica contém 4 litros de café a uma temperatura de 90 C. O café frio de
um copo com volume 2 litros, a 30 C, é despejado de volta na garrafa. Se a capacidade
calorífica da garrafa for desprezível, qual será a temperatura do café depois da mistura?
R. Considerando que não ocorra perda de calor para o meio externo temos:
Q recebido T.(c.m T inicial ) Q
cedido = Q recebido Q
cedido =
T.(c.m quente inicial corpo quente - )T final =
frio final - corpo frio Logo temos que: 904 .(c. - .(c.)Tfinal = 2 Tfinal - 30 )
Aplicamos a propriedade distributiva e obtemos que:
4360 - . Tfinal = 2 . Tfinal - 60 - -- > 6 Tfinal = 420 - - > Tfinal = 70 o C 23- As
grandezas 5 TR, 4,18kJ/kg°C e 300K eqüivalem em outras unidades à:
Sabemos que 1 TR eqüivale a 12.000Btu/h, logo 5 TR eqüivale a 60.000Btu/h. Já 1 kcal
corresponde a 4,186kJ. A conversão de Temperatura na escala Celsius para Kelvin se dá
somando 273,15.
24- Como podemos calcular com exatidão a densidade do ar?
R. A densidade do ar pode ser calculada através da hipótese de que este é um Gás perfeito, o que
totalmente admissível para as condições normais de temperatura e pressão. Desta forma,
isolando-se a densidade na equação dos gases perfeitos tem-se: ρ=p/(R.T) onde, p é a pressão
atmosférica, Ra a constante do ar (Ra = 287,035 J/kg K) e T é a temperatura do ar (em Kelvin).
25- Por que conhecer a temperatura de orvalho é importante nos sistemas de climatização? R. A
temperatura na qual o vapor de água da atmosfera começa a condensar é conhecida como
temperatura de orvalho do ar. Esta propriedade é muito importante, pois a partir dela pode-se
calcular as espessuras de isolamento adequadas para dutos, câmaras frigoríficas e refrigeradores
domésticos. Ou seja, se o isolamento é ruim, haverá uma temperatura superficial externa baixa da
parede da câmara ou de um duto e desta forma, haverá condensação do vapor d ́água presente no
ar sobre esta parede.
26- O que é pressão de saturação do ar e qual sua relação com a umidade relativa?
A pressão de saturação ocorre quando tem-se o máximo possível de vapor d ́água
dissolvido no ar a uma dada temperatura. Neste caso, diz-se que o ar está saturado e adota-se esta
condição para o cálculo da umidade relativa do mesmo. Tomando-se o ar a uma dada
temperatura, Ta, e certa pressão de vapor, pv, e adicionando-se o máximo de vapor d’água
fisicamente possível, obtém-se o ar saturado na temperatura Ta e com pressão de saturação psat
na temperatura (Ta). A umidade relativa representa a relação entre a pressão parcial de vapor d
́água presente no ar (pv) e a pressão de saturação do mesmo a uma mesma temperatura (psat).
UR = 100*(pv/psat)
27- Por que a temperatura do bulbo úmido é sempre inferior ou igual à temperatura de bulbo
seco? R. Porque a quantidade de água que pode evaporar da mecha molhada do termômetro de
bulbo úmido para o ar depende da quantidade de vapor d ́água dissolvido no ar que passa pelo
bulbo úmido. Se o mesmo já estiver saturado com umidade, não evaporará nenhuma quantidade
de água da mecha para o ar e não haverá resfriamento no termômetro de bulbo úmido. Neste
caso, TBS seria igual à TBU.
28- Quais são as temperaturas de bulbo seco e umidades relativas que proporcionam o conforto
térmico a um universo maior de pessoas? R. O estudioso Fanger estudou os parâmetros que
garantem o conforto térmico dos seres humanos na década de 70 e descobriu que uma dada
condição do ambiente não é capaz de agradar a todos os usuários, uma vez que a sensação de
conforto térmico é subjetiva e percebida de forma diferente pelos indivíduos. Fanger no entanto
descobriu que há faixas de temperatura e de umidade relativas que agradam um percentual maior
de usuários. Há além destas duas grandezas diversos fatores que influenciam esta sensação tais
como velocidade do ar, tipo de vestimentas, metabolismo, temperatura das paredes do ambiente.
A norma brasileira recomenda para escritórios e residências temperaturas de 23 a 25 graus para
temperaturas internas no verão. A umidade relativa recomendada é de 40 a 60%. Estes
parâmetros dependem também da aplicação. Por isso é importante a consulta às normas técnicas.
29- Analise a Lei de Dalton das pressões parciais e qual a aplicação desta na psicrometria?
R. Segundo a Lei de Dalton, se diversos gases ocupam o mesmo volume a uma dada
temperatura, a pressão total provocada por estes é a soma das pressões parciais de seus
constituintes, cada um considerado no mesmo volume e temperatura. Desta forma, a Lei de
Dalton estabelece que: a) a pressão exercida por cada um dos gases da mistura é independente da
presença de outros
gases. b) a pressão total da mistura de gases é a soma das pressões parciais dos componentes.
Para o
caso do ar atmosférico, a pressão total (p
total
) é igual à soma da pressão parcial do ar seco (p
ar
) com a pressão parcial do vapor d ́água (p
vapor
) dissolvido no ar.
p total
= pp ar + vapor Na figura, ilustra-se a lei de Dalton de maneira gráfica.
AR SECO APENAS
VAPOR D ́ ÁGUA APENAS
AR SECO + VAPOR D ́ ÁGUA
m = 1kg m=0 p = 100143 Pa p=0 p = 100143 Pa
m = 0kg
m a
= 1kg m = 0,00737kg
M v
= 0,00737kg p =0
p a
= 100143 Pa P= 1182 Pa
P= s
1182 Pa P= 1182 Pa
P= t
101325 Pa T = 20 o C T = 20 o C T = 20 o C 30- Dada a instalação a seguir, sabe-se que um
fluxo de massa de ar externo (1)
e
a
a
v
v
a
a
s
s
t
t
mx =0,7kg/s é misturado com outro fluxo de ar de retorno
mx r
=4,5kg/s.As condições do ar
externo (E) ou ponto 1 são: TBS=32°C e umidade relativa (φ)=60%. Já o ar de retorno (2)
apresenta as seguintes condições (iguais ao ar de exaustão, 2”): TBS=25°C e φ=50%.
Sabendo ainda que a carga térmica sensível ambiente
qx sensível
=12kW e a carga térmica
latente
qx latente
=2kW. Calcule:
• a temperatura do ar de insuflamento
• a capacidade da serpentina de resfriamento e desumidificação
• a quantidade de água retirada pela serpentina de resfriamento e desumidificação
VENTILADOR AR EXTERNO
1
MISTURA 3
4 CARGA TÉRMICA 2’
2’‘
2 EXAUSTÃO
Solução.
O primeiro passo é marcar os pontos conhecidos na carta psicrométrica e encontrar as
propriedades:
Ponto Entalpia específica
(kJ/kg)
Fluxo de massa (kg/s)
TBS UR
1 79,0 0,7 32 60% 2 50,5 25 50% 3 4 5,2 2’ 50,5 4,5 25 50% 2” 50,5 25 50%
O segundo passo é realizar um balanço de massa e energia na casa de mistura onde
determinamos o fluxo de massa de entrada na serpentina de resfriamento (
mx 3
) e a entalpia do
ponto 3 através da lei da linha reta, que diz que o ponto 3 está localizado sobre uma reta entre 1 e
2.
mmm
x
3
= x 1 + x '2 mm x
3
=
x 4 = /2,55,47,0 + = skg hmhmhm x 111
. + x '2'2 . = x 33 h 3
=
5,50.5,479.7,0
+ 2,5
=
/3,54
kgkJ a
A entalpia do ponto 4 é calculada através de um balanço de energia no ambiente climatizado.
x 44
+ x = x 22 onde
CT
hmqhm
CT
qx é a carga térmica total recebida pelo ambiente.
R
E
T
O
R
N
O
SERPENTINA DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO
AMBIENTE CLIMATIZADO
x x
Com a entalpia 4 basta traçar a linha de fator de calor sensível na carta.
Para encontrar a temperatura de insuflamento (4) deve-se calcular o Fator de calor sensível
= 12/14=0,85 (definido como a carga térmica sensível sobre a carga térmica total) e traçar uma
reta a partir do ponto 2 na carta psicrométrica. A inclinação da reta é definida pelo valor 0,85
encontrado no semicírculo interno localizado no canto superior esquerdo da carta. Desta forma,
no cruzamento da linha do FCS e linha de entalpia 47,8kJ/kg encontramos o ponto 4 que tem
TBS
4
h 4
=
qhm
m x
-
4 22
CT =
145,50.2,5 2,5
-
=
/8,47
kgkJ
a
=22,8°C.
h3
h4
FCS= qsen/qtotal
TBS4 TBS 2 TBS 1
A capacidade da serpentina de resfriamento e desumidificação é calculada por um balanço
de energia na serpentina da forma: (Lembre-se que a energia se conserva, logo, a energia que
entra com o fluxo de ar
33
1
2
4
3
hmx é igual a energia retirada pela serpentina
qx SRD
mais a
energia que sai com o fluxo de ar
hmx 44
.
qhm
x 33
= x SRD + hm x 4 q x
SRD
= hmhm x 33
- x 44 = 9,338,47.2,53,54.2,5 - = kW Da mesma forma calcula-se o
fluxo de água retirada pela serpentina através do balanço de massa de água na serpentina.
x
x x 33
44 ( 3 4 ) Onde
a
wmmwm
33
=
cond + 44 wwmwmwmm x
cond
= x - x = x - mx = 5,2kg/s, w
3
e w
4
são encontrados na carta psicrométrica.
31- Compare a partir de análise de custos qual a solução mais econômica para uma
instalação de ar condicionado entre as duas opções abaixo. O sistema pode ser de janela ou
split. A capacidade é de 30TR. O uso é de 8 horas por dia durante 260 dias por ano durante
10 anos de uso. Analise as alternativas a partir dos custos iniciais e de operação. Considere
que 1kW.h custa R$ 0,30. a) sistema de ar de janela – E.E.R de 7,0 – custo inicial de R$
600,00 por TR, custo mensal de
manutenção de R$ 20,00 por TR. b) Sistema split – E.E.R. de 9,0 – custo inicial de R$
1000,00 por TR, custo mensal de
manutenção de R$ 30,00 por TR.
R. Vamos calcular os custos de operação e iniciais para cada tipo de equipamento. Inicialmente
considere os aparelhos de janela. A capacidade de 30 TR corresponde à 30 x 12000 = 360 000
Btu/h.
O consumo em Watts destes equipamentos pode ser calculado através da equação para E.E.R.:
R.E.E =
capacidade
consumo )h/Btu( )W( Logo temos que:
consumo )W( =
capacidade
.R.E.E
)h/Btu( = 360
07 . , 000 = 51428
W
Observe que o gasto de energia elétrica ao longo dos 10 anos é calculado por:
Gasto $Rem = consumo ).h.kWem( número kWh/$R.horas O número de horas é de
8x260x10=20800h. Desta forma:
Gasto x,$Rem = 42851 20800 ,.$R,x 300 = 72910320 O custo inicial é calculado por:
Custo inicial $Rem =
600
TR
$R
,.$Rx
30 = 0000018 Já o custo de manutenção é calculado por:
Custo manutenção $Rem =
⎛ │ ⎝
,$R
0020
⎞
TR
.TR.
30
120 meses = ,.$R 0000072 Somando-se os
custos de manutenção, de energia elétrica e inicial temos: 410.910,72 R$. Os mesmos cálculos
podem ser realizados para os equipamentos splits obtendo-se: 387.600,00R$.
mês
│ ⎠
32- Considere um sistema de refrigeração padrão operando com fluido refrigerante R12 e
com temperatura de condensação de 42 °C e temperatura de evaporação de –12 °C. Calcule
o Coeficiente de Performance. Considere o ponto 1 a saída do vapor saturado seco do
evaporador e o ponto 3 como o ponto de saída do condensador.
Resposta: É conveniente iniciarmos a solução de problema montando uma tabela que resume as
principais propriedades do fluido ao longo do ciclo de refrigeração. O preenchimento da mesma
começa através dos itens mais conhecidos, tais como temperaturas dos pontos 1 (-12 °C pois o
processo de evaporação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de vapor saturado
seco), 3 (42 °C pois a condensação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de
líquido saturado) e 4 (-12°C porque o ponto está sobre uma isoterma na região de saturação). Já o
ponto 2 está sobre uma linha isoentrópica partindo de 1 e sobre uma isobárica na pressão de
condensação. As pressões de condensação (1008,8kPa) e de evaporação (203,9kPa) podem ser
encontradas nas tabelas de propriedades.
T [°C]
p [kPa]
Entalpia [kJ/kg]
Entropia [kJ/kg C]
Volume específico [l/kg] h
l
h
v
s
l
s
v
v
l
v
v -12
203,9 189,001 346,252 0,95910 1,5612 0,69703 82,0344 42 1008,8 240,574 367,825 1,13620
1,53996 0,80325 17,2785
1000 800 600
20
1,60
o
)
400
0
-10
100
360 370 380 390 ENTALPIA ESPECÍFICA
(kJ/kg)
O valor de entalpia do ponto 2 obtida a partir da Figura 1.9 é aproximadamente 375kJ/kg, logo
temos:
1,70
200
COP = Qe/Wc = 3,67
350
400
P
R
E
S
S
Ã
O
(
k
P
a
)
2 40 C
30
10
-20
1
O
E
N
T
R
O
P I A
C
N
S
A T
N
T
E
(
k
J
/
k
g
C
Título Ponto T
P
h
s (°C)
(kPa)
(kJ/kg)
(kJ/Kg°C)
(%)
Estado do fluido
1 -12 203,9 346,25 1,561 100 Vapor saturado seco 2 52 1008,8 ~ 375 1,561 - Vapor
superaquecido 3 42 1008,8 240,57 1,129 0 Líquido saturado 4 -12 203,9 240,57 s4 x4 Líquido e
vapor
Note que na tabela anterior, temos que o título do ponto 4, propriedade que define a quantidade
de vapor está contido na mistura pode ser calculado por:
x
4
=
hh
4
-
h
)( E
Pl )( - h )( E Pv
E Pl =
252,346 57,240
-
-
001,189 001,189 =
32,0
onde as grandezas hl(PE) e hv(PE) correspondem à entalpia do líquido saturado e do vapor
saturado respectivamente obtidos na pressão de evaporação.
CALENDÁRIO 2005 - ATUALIZADO
AGOSTO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 05 - FINAL DO 1o SEMESTRE
1 2 3 4 5 6 06 A 20 - FÉRIAS ESCOLARES 7 8 9 10 11 12 13 16 E 17 - ENCONTROS
PEDAGÓGICOS 14 15 16 17 18 19 20 18 E 19 - PLANEJAMENTO DE ENSINO 21 22 23 24 25 26 27
22 - INÍCIO DO 2o SEMESTRE 2005 28 29 30 31 9 DIAS LETIVOS (2005-2)
SETEMBRO
Seg Ter Qua Qui Sex Sáb
1 2 3 07 - FERIADO (INDEPENDÊNCIA DO BRASIL) 4 5 6 7 8 9 10 12-EXAME
MÉDICO ALUNOS ENSINO MÉDIO 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
25 DIAS LETIVOS
OUTUBRO
Seg Ter Qua Qui Sex Sáb
1 12 - FERIADO RELIGIOSO (NOSSA SENHORA APARECIDA 2 3 4 5 6 7
8 15 - DIA DO PROFESSOR 9 10 11 12 13 14 15 17 - TRANCAMENTO DE MATRÍCULA (ÚLTIMO DIA)
16 17 18 19 20 21 22 28 - DIA DO SERVIDOR PÚBLICO 23 24 25 26 27 28 29 28 - VALIDAÇÃO DE
COMPONENTE CURRICULAR 30 31
25 DIAS LETIVOS
NOVEMBRO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 02 - FERIADO RELIGIOSO(FINADOS)
1 2 3 4 5 14 - RECESSO (DIA DO SERVIDOR PÚBLICO) 6 7 8 9 10 11 12 15 - FERIADO
(PROCLAMAÇÃO DA REPÚBLICA) 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2324 25 26 27 28 29 30 23 DIAS
LETIVOS
DEZEMBRO Dom Seg Ter Qua Qui Sex Sáb 9 - EXAME DE CLASSIFICAÇÃO
1 2 3 21 - FINAL DO 2o SEMESTRE (100 DIAS LETIVOS) 4 5 6 7 8 9 10 19 E 20 -
MATRÍCULA PARA ALUNOS NOVOS 11 12 13 14 15 16 17 22 - ENCONTROS PEDAGÓGICOS 18 19
20 21 22 23 24 23 - PUBLICAÇÃO RESULTADO DOS ENC. PEDAGÓGICOS 25 26 27 28 29 30 31 25 -
NATAL
18 DIAS LETIVOS
Fatores de conversão úteis
1 lbf = 4,448 N 1 Btu = 1055 J 1 lbf/pol2 (ou PSI) = 6895 Pa 1 kcal = 4,1868 kJ 1 pol =
0,0254 m 1 kW = 3413 Btu/h 1 H.P. = 746 W = 2545 Btu/h 1 litro (l) = 0,001 m3 1 kcal/h
= 1163 W 1 TR = 3517 W 1 m = 100 cm 12000 Btu/h = 1 TR*
Calor específico da água = 4,186 kJ/kgC Calor específico do ar = 1,0 kJ/kgC Densidade da água
= 1000kg/m3