Classificação de Sistemas de Ar Condicionado

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Disciplina : CCE0317 – Refrigeração e Climatização
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9ª Aula
Curso : 841 - Engenharia Mecânica
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CLASSIFICAÇÃO DE SISTEMAS
 
DE AR CONDICIONADO
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EQUIPAMENTOS – ARRANJOS
Uma maneira de classificar os sistemas de condicionamento é :
quanto aos fluidos utilizados para a remoção da carga térmica e 
arranjos dos equipamentos.
Uma classificação possível é a seguinte:
Expansão direta
Tudo água
Ar - água
Tudo ar
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Sistema de Expansão Direta
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Split de janela
Condicionadores SPLIT 3 até 40 TR
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EXPANSÃO DIRETA
Self Contained : 5 a 60 TR
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Condicionador Tipo Self-contained
Os condicionadores de ar tipo self-contained são destinados a usos domésticos ou comerciais e podem ser fornecidos com condensação a ar ou a água.
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Atendem a uma ampla faixa de possibilidades de aplicação:
instalações em lojas, restaurantes, centros de computação, em
edifícios industriais, bancos, em grandes residências, etc.
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O condicionador de ar tipo self-contained, com condensação a ar acoplado, utiliza ventilador centrífugo para movimentar o ar entre as aletas do condensador e para retirar o calor do fluido refrigerante. 
Este fluido passa do estado de vapor para o de líquido no próprio condensador.
“Self” de ambiente
“Self” de teto
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Condicionador Tipo Self-contained
Os condicionadores de ar tipo self-contained podem ser instalados diretamente no recinto a receber o ar-condicionado ou nas casas de máquinas, podendo desta forma conter dutos de insuflamento.
Na Figura ilustra-se um self-contained típico com condensação a ar remoto. 
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Neste sistema, a unidade evaporadora é instalada, nas proximidades ou no próprio local a ser condicionado e a unidade condensadora é instalada externamente ao ambiente. 
A interligação destas unidades é feita por tubulações de cobre devidamente isolada para circulação do fluido refrigerante.
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Condicionador Tipo Self-contained
O condicionador de ar do tipo self-contained com condensação a água precisa de uma torre para resfriamento da água para o seu funcionamento.
A água que sai do condensador, aquecida, é movimentada até a torre de resfriamento por uma bomba, para liberar o calor retirado do fluido refrigerante para o ar atmosférico.
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Condicionador Tipo Self-contained
Vantagens:
	• Maior simplicidade de instalação;
	• Em geral menor custo por TR;
	• Fabricação seriada com aprimoramentos técnicos
	 constantes;
	• Garantia de desempenho por testes de fábrica;
	• Manutenção e reposição de peças mais eficientes e
	 econômicas;
	• Maior rapidez de instalação;
	• Grande versatilidade para projetos (zoneamentos, variações
	 de demanda), etc.
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Desvantagens:
	• Os equipamentos divididos requerem procedimentos
	 habituais de vácuo e carga de gás;
	• Compressor junto da unidade evaporadora (maior nível de
	 ruído comparado com o sistema tipo split).
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Capacidade dos Equipamentos do Sistema de Expansão Direta
Para se determinar a capacidade total dos equipamentos dos sistemas de expansão direta, podemos agir de três maneiras:
(a) Pelo cálculo do calor absorvido pelas serpentinas do evaporador, através de equações que já foram vistas anteriormente:
Qt = 1,20 x Q x (h1 - h2); 
Qt = calor total em kcal/h; 
Q = vazão de ar em m31h;
h1 e h2 = entalpia do ar entrando e saindo em kcal/kg.
Sabendo-se que 1 kcal = 4,186 kJ.
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Resolvendo o mesmo Exemplo 1.22 (da 4ª aula) : 
“As condições do ar exterior são: BS = 34°C e umidade relativa 65%.
As condições a serem mantidas no recinto são: BS = 26ºC e 
umidade relativa 45%. 
Se a vazão de ar é de 125 m³/h, queremos saber a umidade que precisa ser eliminada pelo equipamento de refrigeração e a capacidade desse equipamento.”
temos: Q = 125 m³/h
a) Qt = 1,20 X 125 (21,6 - 8,7) = 1.935 kcal/h (desprezou-se a entalpia do 						condensado).
Se quisermos o resultado em toneladas de refrigeração, 
 basta dividir por 3.024 kcal/h.
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(b) Pelo cálculo do calor transferido para a água do condensador:
Qt = 60 X Qa X (t2 – t1); 
Qt = calor total em kcal/h;
Qa = vazão de água em litros por minuto;
t2 – t1 = diferença entre as temperaturas da água na saída e na entrada do 						condensador.
No Exemplo 1.22, consideremos que a temperatura da água ao entrar no condensador é de 38°C e ao sair é de 46°C e a vazão de água é de 6,25 m³/h. Calcular a capacidade de absorção de calor do condensador.
Solução :
Qt = 6.250 (46 - 38) = 50.000 kcal/h ou 
			50.000 / 3024 = 16,5 TR
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(c) Pela capacidade de retirada dos calores sensível e latente obtidos 	através das temperaturas de entrada e sa­ída nas serpentinas do 	evaporador.
Calcular o calor total retirado do ar que entra no evaporador na temperatura de 34°C e sai na temperatura de 13,20C, a umidade é retirada na razão de 12,6 g por kg de ar seco e a vazão de ar é de 125 m³/h.
Solução:
Pela Eq. (1.21), temos para o calor sensível:
Qs = 0,29 X Q (t2 – t1);
Qs = 0,29 X 125 (34 - 13,2) = 754 kcal/h.
Para o calor latente, temos a expressão:
QI = 583 X C
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Sistema de Expansão Indireta
Um sistema é dito de Expansão Indireta, quando o fluido usado como refrigerante do ar é a água. 
Esta , por sua vez, é resfriada num circuito de compressão, por um “chiller”
Podem ser classificados em:
Tudo Água
Ar - Água
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Sistema de Expansão Indireta
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Sistema Frigorífico típico de expansão indireta 
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RESFRIADORES DE LÍQUIDOS - (Expansão Indireta)
Condensação a Ar
 Alternativos - até 400 TR
Condensação a Água
 Alternativo - até 280 TR
Parafuso - 75 até 350 TR
Centrífugo - 165 até 2800 TR
Chillers
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Dentre os sistemas de expansão indireta temos o fancoil/chiller, conforme ilustrado na Figura.
Sua condensação pode ser a água ou a ar. 
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.
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Sistemas tipo fan-coil/chiller
Vantagens:
	• A maior vantagem desses sistemas, sem dúvida, é a facilidade
	 de distribuição (tubulação versus dutos), que requer menor
		espaço de construção.
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Desvantagem:
	• Em relação aos demais sistemas, requerem uma manutenção
 mais especializada, principalmente se a central (resfriador de
 líquido - chiller) opera com baixas temperaturas, exigindo 
 controle da quantidade de aditivos anticongelantes 			(polipropileno glicol).
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Tudo Água
É assim dito, quando a água é distribuída para os recintos, onde passa nos condicionadores de ar. 
Este condicionadores são chamados de fan-coil (ventilador-serpentina).
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Aplicação:
prédios de salas onde custo de dutos se torna proibitivo. 
Ex: hotéis, hospitais, escritórios, prédios profissionais.
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Arranjos
duplo tubo
quatro tubos
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Sistema de Expansão Direta
Um sistema é dito de Expansão Direta , quando o ar é diretamente resfriado pelo fluido refrigerante.
As aplicações são as seguintes:
 Instalações de pequenas e médias capacidades, onde são usados:
- Aparelhos de janela
- Splits.
- Self contained.
Sistema de Expansão Indireta
	(esfriamento de líquidos), para médias e altas capacidades, 	onde são usados “chillers” com compressores alternativos, 
	centrífugos ou parafuso.
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Comparação entre Sistemas de Expansão Direta e Indireta
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Comparação entre Sistemas de Expansão Direta e Indireta
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DIRETA
INDIRETA
Custo Inicial
Baixo
Alto
Instalação
Simples
Menos simples
Controle Temperatura
Individual
Centralizado
Manutenção
Não centralizada
Centralizada
Regulagemde Vazão
Não
Sim
Potência
Menor
Vida Útil
Pequena
Maior
Mão de Obra
Não especializada
Especializada
CustoOperacional
Alto
Menor
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Sistemas Ar-Água
Aplicação:
	prédios com grande número de salas, muitas internas. 
	Ex : hotéis, hospitais, etc..
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Sistemas Tudo Ar
É assim dito, quando o ar é distribuído diretamente para os recintos. 
Dentre outros, estão os sistemas “Multizona” e os sistemas “VAV”
Sistemas Multizona
Aplicação:
	Locais com espaços com múltiplas condições de operação e
 função, requerendo grandes flexibilidades de temperatura e 
 umidade.
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Requisitos para aplicação:
	Vários espaços a serem controlados individualmente. 
Ex .: Escolas, escritórios.
Prédios com fachadas múltiplas e diferentes características de cargas internas. 
Combinação de amplas áreas internas com pequenos espaços na periferia. Áreas com espaços internos com diferentes características de cargas (estúdio de TV, Rádio, etc.).
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Sistemas VAV
Estes sistemas abrigam, via de regra, além de caixas reguladoras de vazão, chamadas caixas VAV, controles de frequência nos acionadores dos ventiladores .
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 Aplicação:
	Sistemas com cargas internas variáveis, que requeiram controle 
 de temperatura fixo. 
Ex.: Prédios de escritórios com diferentes fachadas e horários de funcionamento flexíveis.
Vantagens:
Redução na carga de refrigeração, pela redução nos volumes de ar resfriado.
Redução da carga térmica, pela admissão de maiores parcelas de ar exterior em estações amenas.
Controle individual de temperatura, pelo controle de vazão de ar em caixas VAV, para diferentes recintos.
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Capacidade dos Equipamentos no Sistema de Expansão Indireta 
Para se determinar a capacidade dos equipamentos do sistema de expansão indireta, podemos calcular da seguinte maneira:
(a) Pela vazão de água gelada necessária na central:
onde:
VAG = vazão de água gelada em m3/h; 
Qt = capacidade total em kcal/h;
t = diferencial de temperatura em ºC no resfriador de água .
 
(b) Pela vazão de água necessária no condensador: 
onde:
VAC = vazão de água de condensação em m3/h; 
Qt = capacidade total em kcal/h;
t = diferencial de temperatura em ºC no condensador
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Resfriamento pela Evaporação
A atmosfera é o absorvedor inesgotável de todo o calor emitido nas transformações das máquinas tér­micas. 
Nas grandes máquinas, como, por exemplo, nas centrais termoelétricas, o vapor, depois de passar pelas turbinas, deve ser condensado. 
A condensação do vapor exige grandes vazões de água, o que evita a 
sua descarga direta na atmosfera.
 
Há inúmeros tipos de máquinas, cuja condensação exige água, que, após 
o processo, deve ser refrigerada. 
Usam-se, para o processo de refrigeração de água de condensação, as 
torres de arrefecimento (ou de resfriamento). 
No tipo mais comum de torre, o tipo úmido, a água quente é lançada, sob a forma de gotículas, contra uma massa ascendente de ar; isso aumenta a área de transferência de calor. 
Usam-se também ventiladores, normalmente na parte superior para aumentar a corrente de circulante (Fig. 1.38).
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O ar em contato com a água eleva a temperatura do BU, o que significa também, que sai sob a forma saturada. 
Esse contato faz com que parte da água seja evaporada e deve ser reposta para não haver deficiência (água de reposição ou make-up). 
Essa reposição é pequena, da ordem de 2% da água de circulação, por isso a torre deve ter uma ligação com a caixa-dágua de abastecimento do prédio, que mantém o nível da bacia no fundo da torre através de uma torneira-bóia.
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Exemplo 1.24:
A temperatura da água ao entrar em uma torre é de 46°C, sua vazão é de 6,25 m³/h e a pressão atmosférica é normal. 
O ar entra nas temperaturas BS = 35°C e BU = 25°C e deixa a torre na temperatura de 38°C, saturado.
A temperatura da água ao sair da torre é de 29,2°C. 
Calcular o rendimento da torre (veja Fig. 1.38) e o approach:
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O balanço energético do ar será :
entalpia na entrada (h1) + calor recebido = entalpia na saída (h2) + 
+ entalpia do vapor dágua (h3)
Desprezando a parcela h3 por ser muito pequena diante das demais, temos :
h1 = 18,4 kcal/kg (da carta psicrométrica) ou 77 kJ/kg
h2 = 28,7 kcal/kg (da carta psicrométrica) ou 120 kJ/kg 
h1 = 18,4 (kcal/kg) x 1/0,833 (kg/m3) = 22,08 kcal/m³
h2 = 28,7 / 0,833 = 34,4 kcal/m³
Supondo a vazão de ar Q (m³/h), do balanço energético, temos :
Calor recebido pelo ar = h2 – h1 = 34,4 – 22,08 = 11,6 kcal/m³
volume específico do ar seco
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Em uma hora, o calor cedido pela água é igual ao calor recebido pelo ar, assim :
		11,6 x Q x 0,8 = 105.000 (rendimento 80%)
Então a vazão de ar será :
			Q = 105.000 / 11,6 x 0,8 = 11.314 m³/h
Desse modo o ventilador da torre deve ter essa vazão de ar, para dissipar o calor cedido pela água de circulação.
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TORRES DE ARREFECIMENTO
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Introdução
O modo pelo qual se dá a condensação em um ciclo de refrigeração define dois tipos de equipamento :
unidade de condensação a ar
 estas são usadas para pequenas unidades (em geral até 10 ou 15 TR´s.
unidade de condensação a água
 estas são indicadas para quaisquer potências. 
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Ao projetista de ar condicionado compete a escolha do tipo de condensação, 
levando em conta : área disponível, confiabilidade exigida, quantidade de água
disponível, custo e qualidade da água.
Águas com elevado grau de impurezas, como cálcio, não podem ser utilizadas
sem tratamento adequado porque causam incrustações nas tubulações.
 
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Os equipamentos mais usados em instalações frigoríficas são as 
torres de arrefecimento e os condensadores evaporativos.
Quando se usa torres de arrefecimento, os condensadores do equipamento de refrigeração são do tipo “shell and tube” = uma carcaça de chapa de ferro que possui em seu interior uma tubulação de cobre.
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Os condensadores evaporativos são ao mesmo tempo condensador e torre.
Nesses condensadores, o gás vindo do compressor (em alta pressão) circula em uma serpentina que recebe água dos borrifadores, transforma-se em líquido, que é armazenado no receptor de refrigerante
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TORRES 
DE 
ARREFECIMENTO
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As Torres mais usuais são trocadores de calor de tiragem mecânica de ar 
forçado ou por indução com o fluxo de ar em contracorrente ou corrente mista 
ou, ainda torres atmosféricas.
A água quente oriunda do condensador circula pela torre; entrando pela parte 
superior, é distribuída pelos canais abertos e, por gravidade, desce ao tanque 
coletor, de onde é sugada por
uma bomba.
O nível dágua do tanque coletor é mantido por meio de uma torneira de boia.
Assim, a água resfriada volta ao condensador de modo contínuo e uniforme, 
de tal forma que o calor cedido pelo fluido frigorígeno à água de circulação
é lançado ao ar, com o qual entra em contato na torre.
Há três tipos de torre, conforme a maneira pela qual a corrente de ar entra 
em contato com a água. (figura a seguir). 
atmosférica
corrente de ar forçado
corrente de ar induzido
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A torre atmosférica é geralmente colocada na cobertura do prédio e deve ficar 
localizada de modo a receoer a incidência dirta dos ventos dominantes, pois não 
possui ventiladores (Fig. 6.2).
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É constituída de venezianas de madeira ou de aço nos quatro lados, com pilares de ferro ou concreto nos cantos e uma bacia de madeira, aço, concreto ou alvenaria no fundo. 
A água circulante entra pela parte superior, é espargida pelos borrifadores e cai por gravidade na bacia, de onde retoma aos condensadores.
Uma torneira de bóia mantém o nível da bacia de modo a que nunca falte água, evitando assim que entre ar na tubulação de sucção.
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-
A torre de corrente de ar forçado 
(Fig. 6.3) pode ser colocada em 
qualquer ponto do prédio em contato 
com o exterior. 
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Possui um ventilador lateral na parte 
inferior e pode ser fabricada de 
madeira, chapas metálicas ou fibra de 
vidro. 
Nesse tipo de torre, o ar é forçado 
contra a água borrifada que cai. 
Também possui bacia com torneira de 
boia, que deve manter constante o 
nível d'água.
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A torre de corrente de ar induzido 
(Fig. 6.4) deve ficar instalada de 
preferência na cobertura do prédio 
O ventilador fica localizado acima 
dos borrifadores.
A carcaça da torre pode ser de
 alvenaria, madeira ou fibra de vidro e 
deve possuir venezianas laterais para 
entrada do ar; a bacia fica localizada 
no fundo da torre e o nível d'água é 
mantido constante por meio duma 
torneira de boia.
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No contato entre ar e água, esta cede calor ao ar ascendente por evaporação 
ou convecção.
A quantidade de calor dQ cedida ao ar por uma partícula de água com uma 
superfície dS é :
		dQ =  (h – h0) dS (equação de Merkel – 1925)
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onde :
dQ = quantidade de calor em kcal/h
h – h0 = diferença de entalpia entre o ar saturado (após contato com a partícula)
	e o ar não-saturado em kcal/kg
= coeficiente de evaporação que depende das condições de escoamento na 
 superfície-limite ar/água em kg/m² x h
dS = superfície da partícula em m²
Os fatores  e dS são dependentes das dimensões físicas do resfriador, 
portanto a capacidade de resfriamento Q de uma unidade é função das 
condições atmosféricas e da transferência de calor expressas por h – h0
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O resfriador ideal seria aquele que lançasse na atmosfera o ar com
temperatura igual à da água quente e completamente saturado,
ou seja o fator h – h0 sendo um máximo.
A diferença entre as entalpias do ar na entrada e na saída depende da 
queda de temperatura da água na entrada e na saída e da relação dos 
volumes de água e do ar em jogo no sistema, ou seja :
 h2 – h1 = Vw / Va (tw1 – tw2)
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onde : 
h2 – h1 = diferença entre as entalpias do ar na entrada e na saída
Vw = volume da água pulverizada ou gotejada
Va = volume do ar
tw1 = temperatura da água na entrada
tw2 = temperatura da água na saída
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A temperatura de bulbo úmido do ar do ambiente é o limite físico mínimo ao qual pode ser resfriada a água em circulação no resfriador , por evaporação. 
Assim, tem-se a definição de “approach” (aproximação) – “a diferença entre a temperatura da água tw2 e a temperatura de bulbo úmido do ar 
do ambiente tu” :
			a = tw2 - tu
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Quanto menor o “approach” (a) , tanto menor pode ser o resfriador, pois maior será a diferença de entalpias h – h0 do ar (equação de Merkel).
A escolha correta do resfriador vai depender desse approach e da temperatura de bulbo úmido do ar.
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 Tabelas climatológicas
Baseadas em dados fornecidos pela Diretoria de Rotas Aéreas do
 Ministério da Aeronáutica (fonte: "Resfriadores de água Alpina"), 
temos as tabelas climatológicas da Fig.6.5 para algumas cidades 
brasileiras. 
Observando-se a tabela relativa a um lugar específico, pode-se optar 
pela escolha econômica de um resfriador. 
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Para um local em que o pico de calor se verifique em apenas um 
mês do ano, será mais econômico escolher um resfriador menor, 
porém com ventilador de duas velocidades, por exemplo, cuja 
comutação da rotação seja comandada por um termostato na bacia 
de água resfriada. 
Para a variação da rotação, pode-se usar uma chave elétrica que faz 
a ligação de 8 pólos (900 RPM) ou 4 pólos (1.800 RPM).
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Escolha de uma torre de arrefecimento
Para a escolha correta de uma torre, devemos saber a carga térmica Q, 
a temperatura da água quente em graus Celsius (tw1) e a temperatura de 
bulbo úmido do ar ambiente tu ,
(pode-se usar os gráficos de temperatura do local).
Esse dados deverão ser conhecidos pelo projetista de ar condicionado.
De acordo com a experiência, nas instalações de ar condicionado ou frio 
industrial, devem ser usados os seguintes valores :
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para o “approach” , a= tw2 – tw1 de 3 a 5,5 ºC
para tw2 = 29,5 ºC
para o Z = tw2 – tw1 de 4 a 5,5º C
onde :
	tw2 = temperatura da água resfriada em ºC
	tw1 = temperatura da água na entrada do resfriador em ºC
	tu = temperatura de bulbo úmido em ºC
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Exercício
Numa instalação de ar condicionado pra verão, o projeto fixou os seguintes
elementos:
carga térmica : 100 TR
temperatura de água quente tw1 = 34,5 ºC
temperatura de bulbo úmido do ar exterior tu = 24 ºC
Escolher o resfriador 
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Solução
Utilizando os dados da Alpina (fig.6.6), temos :
entrando com a temperatura de bulbo úmido tu = 24ºC
seguimos na horizontal até a temperatura da água resfriada tw2 = 29,5º C
(para Z = tw2 – tu = 29,5 – 24,0 = 5 ºC).
Desse ponto, baixa-se uma vertical até a linha Z= 5 ºC
Escolhe-se uma vazão para a bomba de 50 m³/h, até encontrar
a horizontal que passa no ponto correspondente a Z = 5º C.
Temos o resfriador : 40 OHSV com 420 RPM, 3,0 CV, 6 polos.
Obs.: nesse exemplo escolheu-se um ventilador com 2/3, ou seja , 66%
de sua rotação nominal, para que , nos raros dias do ano em que 
a temperatura de bulbo úmido ultrapasse esse valor de projeto,
possa-se aumentar a rotação do ventilador para 100% de sua capacidade
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temperatura de água resfriada
tipo de resfriador OHSV
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Quantidade de água de circulação
A quantidade de água para os condensadores deve ser de 3 GPM por TR.
 
Para um diferencial de temperatura aproximado de 10 ºF (5,6 ºC), ou,
em dados práticos, toma-se de 3 a 6 GPM por TR, ou seja, 
11,4 a 22,8 litros/min por TR ou 0,68 a 1,36 m³/h 
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PRFV = Poliester Reforçado em Fibra de Vidro
PVC = (polyvinyl cloride) = Policloreto de Polivinila 
PP = Polipropileno
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Exercício
Para uma instalação cuja carga térmica seja 100 TR.
Qual a quantidade de água de circulação que irá passar pelo 
condensador, bomba e torre na base de 0,68 m³/h por TR.
0,68 x 100 = 68 m³/h 
se tomar a base de 1,36 m³/h por TR : 1,36 x 100 = 136 m³/h
Com esse valor de água de circulação é que se vai entrar no ábaco 
da escolha de resfriadores 
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Escolha da bomba da água de circulação (BAC)
Para escolha da bomba-dágua , precisa-se conhecer os 
seguintes parâmetros :
Hm = altura manométrica em metros 
Q = vazão em m³/h 
A altura manométrica Hm é a altura representativa das perdas de carga
a vencer mais a altura estática.
		Hm = Hest + Hperd
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As perdas de carga de um sistema de água de circulação podem ser 
divididas em três parcelas :
perda de carga através do condensador, em metros , obtida pelos dados 
 do fabricante
perda de carga através da torre, em metros, obtida pelos dados
 do fabricante
- perda de carga através das tubulações, conexões, registros, etc, em metros,
 obtidas pelos cálculos hidráulicos 
 (Instalações Hidráulicas e Sanitárias – Creder) 
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Para se conhecer as perdas no sistema hidráulico, precisa-se saber o 
diâmetro das tubulações.
Os diâmetros podem ser fixados conhecendo-se a vazão em m³/h
 ou l/s e a velocidade em m/s.
De acordo com a NB-92 da ABNT (Instalações prediais de água fria), a 
velocidade máxima nas tubulações deve ser de 2,5 m/s,
A NBR-6401 da ABNT fornece uma indicação dos diâmetros recomendados em função da vazão, o que deve ser usado pelo projetista da instalação (Tabela 6.1).
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P = potência em CV
Q = vazão em m³/h
Hm = altura manométrica em m
 = rendimento do conjunto motor-bomba (da ordem de 40 a 50%)
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Entrem no site : projetee
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Sistema de vazão de ar constante
 (CAV= Constant Air Volume) multizona
Curso : 841 - Engenharia Mecânica
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Sistema de vazão de ar variável 
(VAV= Variable Air Volume)) multizona.
Curso : 841 - Engenharia Mecânica