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Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 97 Distribuição de ar O objetivo desta unidade é que sejamos capazes de dimensionar uma instalação de distribuição de ar, desde a escolha do tipo de insuflação até o projeto da rede de dutos. Devemos garantir que o ar ao ser distribuído pela rede de duto garanta uma perfeita homogeneização no ambiente climatizado. Normas Para o projeto da rede de dutos utilizaremos as normas da ASHRAE e os valores de velocidade do ar e temperatura dentro do ambiente climatizado às normas da ABNT. Detalhes Para iniciarmos os cálculos da distribuição de ar será necessário que já tenhamos calculado a carga térmica do ambiente que serão instalados os dutos, sendo necessário conhecermos: Vazão de ar de insuflação; Temperatura de insuflação; Leiaute do local e da casa de máquinas; Equipamento condicionador de ar que será utilizado. Insuflação Inicialmente devemos determinar o tipo de insuflamento que utilizaremos, e localizá-lo no ambiente que está sendo climatizado, posteriormente, faremos o projeto da rede de dutos para levar o ar até essas bocas de insuflamento. Para a escolha do tipo de insuflamento utilizaremos o material técnico do fabricante, neste caso utilizaremos os manuais da TROX. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 98 Tipos de insuflação As posições relativas das bocas de insuflação, como também as de retorno, podem ser muito diversas e é importante dispô-las adequadamente para obter uma boa distribuição do ar. Se os locais chegarem a alcançar dimensões consideráveis ou formas irregulares, devemos dividir o local em salas imaginárias, como será descrito a seguir. O tipo de insuflação que se utilizará determinará de maneira eficaz como irá se comportar a distribuição de ar dentro do local que se está climatizando, é claro que o tipo de insuflação que será escolhido depende muito das condições físicas do local. Basicamente podemos classificar a insuflação de quatro maneiras distintas, conforme descrito a seguir: Insuflamento por grelha Este tipo de insuflamento é sempre utilizado em locais com pé direito baixo, ou quando não for possível a passagem de dutos pelo forro da área a ser climatizada. Grelha de insuflação e retorno no mesmo bloco Insuflamento por Difusor Das formas de distribuição de ar é a que apresenta uma melhor eficiência, mas requer cuidados durante a elaboração da melhor localização dos difusores e o seu selecionamentro Difusor de teto com grelha de retorno na parte baixa Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 99 Insuflamento de Rodapé O insuflamento é feito pela parte baixa do local a ser climatizado, sempre junto a parede, para aprovetar a vantagem do efeito Coanda. Nota: Efeito Coanda será detalhado a seguir Insuflação pela parte baixa da sala – Insuflamento de Rodapé Bocas de insuflação Designamos de bocas de insuflação o local pelo qual o ar que esta vindo do condicionador de ar será insuflado na sala a ser climatizada, existem no mercado uma infinidade de equipamentos utilizados para esta finalidade, mas basicamente utilizamos dois tipos básicos: grelhas e difusores. Difusor Grelha Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 100 Grelhas As grelhas são , geralmente , feitas de aço , alumínio e outros materiais com vários tipos de acabamento. Na figura anterior mostramos os aspectos de uma grelha simples. A largura e a altura das grelhas são expressas em polegadas ou milímetros. A largura multiplicada pela altura corresponde à “área total” da grelha. Este tipo de bocas de insuflação tem a sua principal aplicação junto a paredes. Em geral são retangulares de proporções próximas ao quadrado até chegar a ser totalmente linear de vários metros, estreitos. Todos dispõem de pás paralelas, horizontais ou inclinadas, e principalmente fixas. Existem as reguláveis em inclinação e também de duas fileiras superpostas, verticais e horizontais. O conjunto de pás paralelas das grelhas permite o controle do alargamento angular do insuflamento do jato de ar.na direção longitude deste jacto. Ângulo de incidência do jato de ar através das laminas das grelhas Difusores Os difusores de teto oferecem o melhor processo para a distribuição de ar uniforme acima da linha de respiração, com menores probabilidades de formação de corrente de ar. Estes difusores insuflam o ar horizontalmente, o qual se mistura do recinto acima da cabeça dos ocupantes, sendo a sua velocidade totalmente consumida antes de descer para a linha de respiração. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 101 Difusores de teto são utilizados para o insuflamento de ar em teatros e qualquer outro local onde o duto possa ser colocado acima do teto ou logo abaixo e de forma que aos mesmos possam ser ligados os difusores. Os difusores de teto podem fabricados de vários tamanhos e formas e podem ser adaptados a qualquer esquema de decoração. A insuflação pelo teto, através do difusor, é a melhor, porque está fora da zona ocupada. Os difusores geralmente adotam a forma circular ou quadrada. Os difusores circulares estão formados por vários cones concêntricos que insuflam o ar paralelamente ao teto e em todas as direções. Existem difusores circulares com pás torcidas que insuflam o jato de ar em espiral, utilizados em locais em que a altura do difusor pode estar relativamente grande. Difusor com pás torcidas Os difusores quadrados funcionam praticamente igual aos circulares, embora se distinguam um pouco mais os quatro jactos que correspondem a cada lado do quadrado Também existem os que descarregam em só três, duas ou apenas uma direção. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 102 Insuflação por quatro lados Insuflação por três lados Insuflação por dois lados Insuflação por um único lado Os difusores de um lado a três lados são muito adequados para se instalar próximo a paredes. Alguns têm dispositivos de regulação que permitem orientar o jacto parcialmente para o solo. É conveniente instalar uma comporta na conduta de alimentação do difusor que permita regular o fluxo de ar. O alcance (L) do jato de ar é definido pela velocidade de insuflação, indicada no catálogo do fabricante. Distribuição do ar pelas bocas de insuflação Uma perfeita distribuição do ar requer um fornecimento uniforme do mesmo na totalidade da superfície do local, sem insuflação diretas sobre os ocupantes, sem zonas de ar morto, e com a velocidade suficiente como para obter uma sensação de conforto. Uma velocidade muita baixa ou muito alta do ar deve ser evitada. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 103 Uma distribuição correta, levada a um nível que não descarregue diretamente sobre as pessoas existentes no local, produzirá um movimento suficienteno ar para que o mesmo se distribua no ambientes sem correntes incômodas. Em cada caso particular determina-se a velocidade apropriada como também a localização das bocas de entrada e saída do ar. Primeiramente, devem ser localizados os locais onde serão instalados os terminais de saída de cada ambiente então, selecionamos o tipo e o tamanho de cada um deles de acordo com as necessidades locais. A distribuição do ar no ambiente condicionado é de extrema importância e influencia diretamente no conforto dos ocupantes do mesmo. Uma boa distribuição do ar no ambiente climatizado, é assegurada pela escolha correta dos bocais de saída (tipo, tamanho, perda de carga, nível de ruído, etc); estas informações podem ser obtidas nos catálogos dos fabricantes, por isso, recomenda-se o uso de bocais padronizados e de fácil disponibilidade no mercado em geral. Em ambientes com ocupação de pessoas, o próprio bocal de saída deve insuflar o ar controlando a velocidade de saída e a equalização da temperatura na zona ocupada (~2m acima do piso); para isto, devem ser considerados os efeitos da convecção natural do ar no ambiente. No caso de controle de ambientes de equipamentos, devemos atentar às necessidades de cada caso isolado, podendo ter a insuflação do ar dentro do gabinete ou estrutura dos mesmos. Deve ser evitado o uso de grelhas e difusores na insuflação do mesmo ambiente. Se houver tal necessidade, devido às questões citadas anteriormente, devemos selecioná-los de modo que as perdas de carga sejam semelhantes (não ultrapassando 12,5 Pa de variação – segundo Manual SMACNA de HVAC). Para a seleção do equipamento de distribuição do ar, deve ser levado em consideração: • As condições do ambiente que podem afetar o conforto; • Definir as posições de insuflação e de retorno do ar (bem como, se o duto ficará exposto no ambiente ou acima do forro do mesmo); • Considerar necessidades especiais que afetam as saídas de ar em sistemas que utilizam vazão de ar variável (VAV Systems); • Selecionar os dampers e os bocais de saída de forma a fornecer uma velocidade de saída menor. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 104 • Consultar os manuais dos fabricantes dos equipamentos e componentes envolvidos no projeto. Zoneamento Após selecionar os dispositivos de saída e antes definir layout e tamanho dos dutos, o projetista deve determinar quantas zonas de temperatura serão controladas (ambientes internos e externos); geralmente, as zonas exteriores são divididas de acordo com as faces e suas respectivas exposições ao sol (ex. norte, sul, leste e oeste). As zonas internas poderão ser subdivididas em pequenas zonas de controle, as quais dependerão das variações internas de carga térmica, ou de necessidades específicas para uma área isolada. Situações típicas são encontradas nessas áreas, como por exemplo: escritórios executivos, onde o proprietário deseja um controle individual; ou áreas de elevado ganho ou perda de calor, salas de informática, sala de reuniões etc. Localização das bocas de Insuflação Os difusores devem ser selecionadas de acordo com o manual do fabricante para que possam oferecer um alcance desejado para o ambiente onde serão instaladas, para ambientes com áreas maiores do que o alcance (L) maior do que o conseguido pelo difusor, devemos dividir a sala onde será instalado o difusor em salas imaginarias, sendo que no centro de cada uma destas salas imaginárias estará instalado um difusor. Nota: O conceito de alcance (L) será desenvolvido a seguir Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 105 Divisão de uma sala de grandes dimensões em salas imaginarias Nota: O ideal é que as salas imaginárias sejam de forma quadrada, ou seja, com lados iguais (a x a) mas na impossibilidade disto acontecer podemos utilizar salas imagináarias retangular (a x b), como no desenho anterior. As recomendações para s divisão das salas imaginárias: Dividir a área do teto em quadrados, de tamanhos iguais. O lado deste quadrado (a) não deve exceder 3 (três) vezes a altura de instalação do difusor (h), ou seja; a ≤ 3.h Se não for possível que as áreas imaginárias sejam quadrados, os retângulos devem ter o lado maior (a) no máximo 1,5 (uma vez e meia) o lado menor (b). a ≤ 1,5 . b Diretrizes para o selecionamento de bocas de insuflação O selecionamento das bocas de insuflação, seja ele difusor ou grelha pode ser facilmente obtido com o auxilio do catálogo técnico de algum fabricante, contudo existem alguns termos técnicos específicos utilizados por estes fabricantes que devemos conhecer para facilitar o uso destes catálogos, vamos imaginar uma sala a qual está instalado um difusor de teto, conforme figura abaixo, e os diversos fatores que envolvem a sua instalação. 2 a a 2 a a Salas Imaginárias 2 b ½ b b Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 106 Zona de ocupação (ZO) Espaço compreendido entre o piso e uma altura pré determinada. E a região ocupada pelas pessoas na qual devemos garantir as condições de conforto térmico, a ABNT na norma NBR 16401 – “Instalações Centrais de Ar Condicionado parar conforto – Parâmetros Básicos de Projeto” recomenda este valor como 1,5 m, o que corresponde a linha de respiração de um homem, em pé, com altura mediana. Atualmente a maioria dos projetistas utiliza para esta condição valores que variam entre 1,7 m a 2,1 m. Velocidade do ar na zona de ocupação ( zoV ) Corresponde a velocidade recomendada do ar dentro da zona de ocupação (ZO), a ABNT, segundo a norma ASHRAE, esta velocidade deve estar compreendida entre 0,025 a 0,25 m/s. Este valor pode ser ultrapassado quando a grelha de retorno estiver localizada dentro da zona ocupada. As normas americanas são mais especificas quanto este valor, conforme pode ser verificado na Tabela 36. Alcance (L) Também conhecido como “flecha”, “jato” , “distância de propulsão” ou “impulsão” é a distancia horizontal percorrida pelo fluxo de ar desde seu lançamento, da grelha ou difusor, até que sua velocidade se reduza a um valor suficientemente baixo (velocidade terminal tV ) medido acima da linha da zona de ocupação. Esta distância deve garantir também para que o choque do ar insuflado contra obstáculos (paredes, colunas ou fluxo de ar de outro difusor) não possa produzir correntes de ar desagradáveis na zona de ocupação. Nota: Os bons fabricantes de bocas de insuflação, em seu catálogo técnico, fornecem recomendações da forma de se obter o alcance (L) para um local que irá utilizar os seus produtos. Velocidade do ar de insuflação ( IV ) É a velocidade recomendada nos difusores e grelhas para que se consiga ter um alcance (L) desejado do jato de ar, a velocidade deve, também, ser controlada para que se tenha um nível de ruído (N) adequado no local. Quanto maior for a velocidade de insuflação, maior será o alcance (L) do jato de ar, mas maior será o ruído Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 107 produzido por este ar ao passar pela grelha ou difusor, desta forma os valores para a velocidade de insuflação são tabelados, para fim de parâmetros de projeto, algumas recomendações de velocidade do ar de insuflação (), podem ser encontradas na Tabela 37 . Fatoresenvolvidos na distribuição de ar Nível de Ruído (N) O ar ao passar pelo difusor causa ruído que é usualmente percebido no recinto, desta forma deve-se tomar cuidados especiais para que isto não aconteça. Os níveis de ruído devem ficar dentro de valores pré estabelecidos, de acordo com a função da finalidade da instalação, conforme estabelecido na Tabela 46. Velocidade do ar de retorno ( )RV Refere-se a velocidade do ar nas grelhas ou difusores de retorno. Embora a velocidade do ar diminua rapidamente à medida que nos afastemos das grelhas ou Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 108 difusores de retorno , quando pessoas estão próximas a estes, a velocidade do ar pode se tornar desconfortáveis, desta forma são recomendadas as velocidades máximas para este ar de retorno, as quais estão relacionadas na Tabela 38. Velocidade terminal ( LV ) É a velocidade no final da distância recomendada para o alcance (L) do fluxo de ar. Esta velocidade deve ser observada como um valor que o ar deve ter quando insuflado de cima para baixo até chegar no limite da zona de ocupação. Esta velocidade deve proporcionar a velocidade do ar na zona de ocupação ( zoV ) Estas velocidades recomendadas podem ser descritas, de acordo com o tipo de local que esta sendo climatizado, na Tabela 39. Efeito Coanda (Ec) Nome que se dá quando o fluxo de ar é insuflado de grelhas ou difusores junto ao forro e este ar se move como se estivesse grudado no forro, este fenômeno permite ao jato de ar percorrer uma distância maior. Nota: Os fabricantes de bocas de insuflação, em seu catálogo técnico, fornecem informações para selecionamento pressupondo que exista o efeito Coanda. Perda de carga (P) É a perda de pressão estática que ocorre no fluxo de ar ao atravessar o difusor/grelha. Este valor é de vital importância a ser somado a perda de carga total do sistema dutos e difusores. A perda de carga pode ser calculada, contudo os fabricantes fornecem estes valores em seus catálogos. Nota: Desta forma, você será capaz de selecionar uma boca de insuflação acompanhando as recomendações acima, leiaute em escala do local a ser climatizado e principalmente o manual técnico de algum fabricante de bocas de insuflação. Exemplo Prático Você deve encontrar o catálogo técnico de algum fabricante de bocas de insuflação, e com ele Selecionar um Difusor, que será instalado em um local que necessite das seguintes condições: Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 109 Vazão de ar Insuflada no Difusor V = 500 m3/h Alcance do jato de ar insuflado L = 3,0 m O seu selecionamento só estará completo se você conseguir responder a todas as perguntas abaixo: 1. Nome do Fabricante (Dê preferência aos nacionais); 2. Modelo do difusor selecionado; 3. Detalhes dimensionais do difusor; 4. Velocidade de insuflação ( IV ); 5. Ruído causado pelo ar ao ser insuflado (N); 6. Perda de carga do ar ao ser insuflado(P). Dutos Após termos definido a posição das bocas de insuflação, sejam elas difusores ou grelhas, dentro do ambiente a ser climatizado deve-se determinar a rede de dutos que irá trazer o ar a partir do condicionador de ar até as bocas de insuflação Seleção do Sistema de Dutos Para iniciar o projeto da rede de dutos, conforme já mencionamos anteriormente, devemos conhecer a carga térmica dos ambientes climatizados, bem como suas respectivas vazões de ar. O tipo de sistema de dutos deve ser escolhido em função de uma análise econômica prevista durante o projeto civil do ambiente a ser construído. A menos que o imóvel já esteja construído ou, o proprietário e o arquiteto especifiquem sua preferência. Em qualquer um dos casos anteriores, a escolha do tipo de sistema de dutos implicará em mudanças na escolha do sistema de fornecimento de ar condicionado. A primeira proposta de um sistema de distribuição de ar para climatização ou ventilação é promover o conforto dos ocupantes do ambiente condicionado (locais onde haja a presença de pessoas), ou fornecer condições climáticas específicas necessárias ao controle do ambiente condicionado (ex. laboratórios de metrologia, ambientes de processos industriais, etc). Os principais fatores que afetam a qualidade do ar insuflado e o conforto dos ocupantes são: • Pureza do Ar; Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 110 • Odor; • Temperatura Ambiente; • Meios de Controle da Temperatura; • Circulação e Distribuição do Ar; • Fontes de Calor Radiante; • Qualidade da Ventilação; • Controle de Umidade; e, • Nível de Ruído. Os sistemas de ar podem ser divididos em duas categorias principais: sistema simples e sistema duplo (conforme figura 1). Sistema simples de dutos é aquele no qual o aquecimento e resfriamento do ar são feitos num escoamento em série, utilizando um único sistema de distribuição com a temperatura do ar (variável) alimentando todos os bocais de saída (difusores, grelhas, etc); ou usando dutos separados para cada zona (multizonas) e misturando previamente o ar quente e frio em caixas de mistura. Tipos de sistemas de dutos segundo ASHRAE. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 111 Sistema duplo de dutos caracteriza-se pelo escoamento paralelo do ar resfriado e do ar aquecido (dutos separados), sendo estes misturados nos bocais de saída de cada ambiente. Além destas duas vertentes, podemos ainda, diferenciar um sistema pela sua capacidade de variar a vazão de ar, reaquecer o ar ou introduzir um fluxo secundário proveniente de outra zona próximo aos bocais de saída. Neste capítulo serão abordados os conceitos e métodos apenas para a execução do dimensionamento de sistemas simples de dutos para condicionamento de ar de ambientes ocupados por pessoas; pois os outros casos são aplicações especiais destes métodos e necessitam de detalhes específicos de cada instalação. Componentes e tipos de um sistema de dutos Os componentes básicos de um sistema de dutos pode ser basicamente composto de: • Volume do ar a circular; • Velocidade o ar através das condutas; • Resistência a ser vencida na conduta. • Registros divisórios e quadrantes; • Registros de volume e quadrantes; • Portas de acesso; • Registros tipo veneziana; • Registros estacionários; • Telas de entrada de ar; • Ligação de lonas para amortecer vibrações. Os dutos podem ser classificados de acordo com sua forma, sendo os mais comuns, o duto circular, duto retangular, duto oval e duto flexível, cada tipo irá depender da necessidade especifica do projeto. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 112 Alguns tipos básicos de dutos a) Duto Retangular, b)duto circular, c)Duto Oval, e) Duto Flexivel Layout Preliminar O próximo passo, após ter se determinado a localização das bocas de insuflação, é desenhar um diagrama esquemático preliminar da rede de dutos o qual será útil no projeto para identificarmos as zonas de controle de temperatura, as vazões de ar envolvidas, os tipos de bocais de saída etc; com o objetivo de determinar o traçado mais eficiente e mais econômico Sugere-se que este layout seja feito sobre uma cópiada planta arquitetônica do local, pois assim o projetista terá uma melhor visualização dos ambientes e, poderá selecionar .componentes que possuam uma melhor compatibilidade entre si. Nestes espaços físicos o projetista deverá levar em conta não só a dimensão, mas também, o espaço necessário para as fixações, para o acesso as caixas de misturas, aos dampers, as válvulas e outros acessórios e ter a certeza de que o trajeto de sua futura rede de dutos não entre em concordância com tubos, colunas, luminárias, etc. O projetista deverá também observar os seguintes aspectos: O trajeto deverá ser o mais curto possível; O desenho deve ser feito em planta e elevação; Deverá ter o mínimo de singularidades (curva, “T”, válvulas, etc); Nomear todos os trechos dos traçados, com letras ou números, identificando todos os componentes, como também a vazão de ar nestes trechos. Estas Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 113 nomeações deverão estar descritas nas legenda do desenho do layout do local a ser climatizado. Dimensionamento do Sistema de Dutos Após construir o layout do sistema, o projetista deverá escolher um dos métodos que serão citados a seguir. A maioria deles calcula dutos do tipo circular, ou seja, fornece apenas a dimensão do diâmetro do duto; caso o projetista ou o cliente tenha preferência por dutos retangulares existem tabelas para conversão de dutos circulares em retangulares. Com o sistema de dutos dimensionado e com a perda de pressão estática ou pressão total calculadas, o projetista determinará se a rede de dutos tenha espaço suficiente para ser instaladas nos ambientes. Nestes espaços físicos o projetista deverá levar em conta não só a dimensão, mas também, o espaço necessário para as fixações, para o acesso as caixas de misturas, aos dampers, as válvulas e outros acessórios. Métodos de Projetos Não existe um método de dimensionamento que seja suficiente para determinar um sistema de dutos econômico e, que atenda todas as condições dos diversos ambientes ao mesmo tempo. Os sistemas de dutos atuais têm sido projetados utilizando um ou mais de um dos seguintes métodos ou suas variações (sendo alguns deles obsoletos): • Igual Perda de Carga; • Recuperação Estática; • Igual Perda de Carga Modificada; • Método T; • Redução da Velocidade; • Pressão Total; • Velocidade Constante; e, • Método de Projeto para sistemas residenciais. A seguir definimos abaixo os métodos mais utilizados Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 114 Método da velocidade constante Também denominado de método da igual velocidade, é o mais simples de ser calculado, porém não consegue garantir uma perda de carga satisfatória na rede de dutos e, muito utilizado em projetos industriais e algumas vezes nos dutos principais de grandes instalações de conforto térmico. Quanto maior a velocidade do ar dentro do duto, maior será a perda de carga (ΔP) gerada e, maior também será o ruido. Método da recuperação estática Consiste em se controlar a velocidade do ar dentro do duto, através do aumento ou redução do diâmetro, deste duto para garantir que a pressão estática no seu interior permaneça sempre constante. É o método mais preciso de distribuição de ar, pois consegue garantir que dentro do duto, em todas as saídas para as bocas de insuflação, mas está longe de ser o mais utilizado, pois o seu custo de fabricação dos dutos tem se mostrado mais oneroso. Método de Igual Perda de Carga No método de igual perda, a perda de carga unitária é mantida constante em todo o sistema.Para determinar a perda por atrito no sistema de dutos, multiplica-se a perda unitária pelo comprimento equivalente da rede de dutos. A perda de carga unitária depende da velocidade admissível no sistema de dutos. Em instalações comerciais, a velocidade é determinada por considerações de conforto em função do nível de ruído permitido no local climatizado. Para funcionamento usual em comércio, as velocidades nos dutos não devem exceder os valores máximos indicados na Tabela 47 nos anexos. Nota: Neste curso, utilizaremos o Método da igual perda de carga (o qual é utilizado pela maioria dos projetistas de condicionamento de ar). A seguir vamos resolver um “Exemplo pratico” para que você possa assimilar melhor a idéia de como determinar os parâmetros para o projeto de uma rede de dutos, aplicando esta metodologia de calculo. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 115 Velocidade do ar no interior do duto Um estudo corrente de projeto de duto tem necessariamente de incluir discussões tanto dos sistemas convencionais de baixa velocidade, como do projeto de duto de alta velocidade, recentemente aceito. Cada ano está sendo instalado mais sistemas de distribuição de ar a alta velocidade devido à característica de economia de espaço do projeto de duto de alta velocidade. As regras gerais usadas para o projeto convencional de duto de baixa velocidade aplicam-se também ao projeto de duto de alta velocidade, mas tem de ser dada consideração especial ao método do projeto, ao problema do ruído e à instalação de dutos de alta velocidade. Tal como no caso do ar, sempre que passa ar através de um tubo ou duto, perde-se alguma pressão por causa do atrito. Quanto maior for à quantidade de ar passando através de um duto de uma dada área, maior será a perda por atrito (ΔP), e maior será também o nível de ruído. Resumindo podemos entender, que mesmo que utilizemos em nosso projeto da rede de dutos o “Método da igual perda de carga” a velocidade do ar está diretamente ligada a ela, pois quanto maior a velocidade do ar no interior do duto maior será a perda de carga por atrito (ΔP), e vice e versa, ou seja, se quisermos ter controle sobre determinada perda de carga (ΔP) e nível de ruído desejado devemos utilizar velocidades também controladas, conforme Tabela 47. Perda de carga (∆P) recomendada Trecho de duto destacando a pressão dinâmica e estática. PT = Pressão total Pv = Pressão dinâmica Pe = Pressão estática Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 116 A perda de carga (∆P) é gerada diretamente (ao quadrado) pela velocidade; A velocidade gera ruído no duto Tabela 47 Quem vence a perda de carga é a pressão estática; A pressão estática (Pe) é aumentada diminuindo a velocidade (pressão dinâmica). Perda de carga (ΔP) no interior do duto É fácil perceber que quanto maior for a velocidade do ar no interior do duto maior será a turbulência do ar e desta forma será maior a perda de carga (ΔP) causada por este aumento da velocidade. No “Método da igual perda de carga” determinaremos uma perda de carga (ΔP), devido ao movimento do ar para cada metro de duto linear que o ar se deslocar no interior do duto, e a unidade de medida desta perda de carga, a ser pré estabelecida, será, Pa/m (Pascal por metro), sendo assim os projetistas costumam utilizar-se de alguns valores de referência para a perda de pressão, por unidade de comprimento, a ser estabelecida, da seguinte forma: Ambientes que exigem baixo nível de ruído Exemplo: Estúdios de gravação de som, salas de concerto, igrejas. ΔP = 0,3 Pa/m a 0,5 Pa/m Ambientes de conforto térmico especiais Exemplo: Escritórios privados, salas de aula, salas de reunião, bibliotecas. ΔP = 0,6 Pa/m a 1,0 Pa/m Ambientes de conforto térmico generalizadosExemplo: Escritórios públicos, agências de banco, hall de entrada e corredores. ΔP = 0,8 Pa/m a 1,2 Pa/m Ambientes de conforto térmico públicos; Exemplo: Super mercados, shopping center. ΔP = 1,2 Pa/m a 1,8 Pa/m Ambientes industriais Exemplo: Interior de fábricas de processos industriais mecânicos ΔP ≥ 1,8 Pa/m Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 117 Nota: Estes valores de perda de carga são muito pequeno, considerando que o valor da pressão atmosférica é de Patm = 101325 Pa Nota: Quanto menor for o nível de ruído desejado, menor será a perda de carga (ΔP) e menor velocidade do ar no interior deste duto. Custo da rede de duto O custo inicial de um duto depende do seu tamanho. Quanto menor for o duto, menor será o custo inicial. Contudo a potência necessária para distribuir o ar através do duto menor sobe por causa do aumento da pressão, portanto, a escolha do tamanho do duto depende do balanço entre o custo de funcionamento do sistema e custo inicial. Praticamente, este balanço de custo é um processo e por vez inútil por falta de dados seguros sobre o custo. Os projetistas de dutos dependem invariavelmente de experiências anteriores com sistema de condicionamento de ar e de ventilação, ao selecionarem as perdas de pressão a serem admitidas no sistema de dutos. Além disso, no projeto convencional de dutos de baixa velocidade, o problema é mais complicado em edifícios comerciais pelo fato das velocidades do duto ter que ser mantidas a baixa de um ponto determinado, se quiser obter um funcionamento silencioso. Os dutos condutas representam em custo médio cerca de 25% de toda a instalação. O custo do dimensionamento dos dutos, alem do custo do matéria de construção e mão de obra, também leva em conta os seguintes fatores: • Volume do ar a circular; • Velocidade o ar através das condutas; • Resistência a ser vencida na conduta. Em sistemas industriais, a qual o ruído não é fator, o problema está em fazer apenas o balanço entre o custo de funcionamento e o custo inicial. Dimensionamento dos trechos retos da rede de dutos Lembrando que estamos utilizando o “Método da igual perda de carga”, desta forma devemos estabelecer uma perda de carga (ΔP) esta diretamente relacionada com a velocidade do ar no interior do duto; quanto maior a velocidade, maior o ruído gerado Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 118 considerando que dependendo do tipo de ambiente a ser climatizado, não pode ser maior do que estabelece a norma da ABNT NBR 16401, conforme anexos, Tabela 46. Para facilitar o entendimento, vamos fazer, a seguir, um exemplo pratico e determinar a rede de dutos e a perda de carga em de um sistema de escritório conforme Dimensionamento das singularidades da rede de dutos Existem diversas maneiras, oferecidas pela mecânica dos fluidos, de se calcular a perda de carga (ΔP) causada pela passagem de um fluido através de uma singularidade, dentro estes existem dois que são muito utilizados por projetistas de sistemas de distribuição de ar: Devemos salientar que singularidade é o nome que damos para todo trecho do duto reto que sofre uma descontinuidade, ou seja a singularidade pode ser a curva, saída de ramal, “T”, dampers, lona anti vibração (colocada na saída do condicionador de ar e que faz ligação com a rede de dutos), etc. Os manuais de condicionamento de ar de alguns fabricantes, tais como “TRANE” e “CARRIER”, consistem em fornecer um valor de comprimento de um duto reto a uma determinada singularidade, e através deste comprimento equivalente determinar a perda de carga nas singularidades. este comprimento de duto reto seria uma equivalência a uma determinada Outra maneira de calcular a perda de carga (ΔP) do ar ao atravessar uma singularidade, e que é recomendado pelas tabelas da ASHRAE e SMACNA, determinar um coeficiente de perda de carga (C) na singularidade e com este valor, relacionado com a velocidade do ar no interior do duto, determinar-se o valor da perda de carga (ΔP), através de uma determinada equação. Qualquer dos métodos acima descrito podem ser utilizados para a determinação da perda de carga nas singularidades, mas em nosso curso utilizaremos o método recomendado pela ASHRAE e SMACNA. A perda de carga (ΔP) nas singularidades pelo método da ASHRAE será calculada através da equação abaixo: Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 119 Sendo: P = Perda de Carga na Singularidade (Pa); 0,6 = Constante de proporcionalidade; C = Coeficiente de Perda de Carga (1); v = Velocidade na singularidade (m / s). Os valores do coeficiente de perda de carga (c) dependem do tipo de singularidade que estamos utilizando, e seus valores foram retirados do handbook da ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc) – Fundamentals, 2005, conforme anexos Tabela 51.. Para facilitar o entendimento, vamos fazer, a seguir, um exemplo pratico e determinar a perda de carga de singularidades. Exemplo Pratico Na figura a seguir, temos o layout preliminar de um sistema de dutos que atenderá nove salas de escritório de uma empresa, levando em consideração os seguintes detalhes: Determinar uma perda de carga (ΔP) para cada metro de deslocamento do ar no interior do duto, estabelecendo uma perda de carga distribuida de ΔP = 1,0 Pa/m (um Pascal, por cada metro de trecho reto do ar percorrido no inteior do duto). O duto deverá ser retangular, com uma altura no treho do ventilador até o ponto A e B, de 350 mm, nos trechos dos ramais a altura deverá ser de 300mm. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 120 Exemplo Pratico de selecionamento de uma rede de dutos Devemos iniciar o dimensionamento inicialmente, pelos dutos, retos, fazendo todos os trechos que possuem a mesma vazão, sendo assim vamos iniciar o dimensionamento pelo trecho reto do Ventilador até o ponto A. Trecho de duto reto do ventilador até o ponto A Vazão de ar 9000 m3/h (2500 L/s); Comprimento trecho Ventilador-A (LVA) = 20 m (8 + 12,00); Perda de carga estipulada ∆P = 1,0Pa/m Nota: Lembre-se a escolha de um valor de perda de carga distribuída de ∆P =1,0Pa/m, é uma prerrogativa do projetista, de acordo com o nível de ruído máximo que se deseja para o local, ver acima o tópico “Perda de carga (ΔP) no interior do duto” Para selecionarmos o diâmetro do duto, utilizaremos a carta de perda de pressão em duto nos anexos, Tabela 49. Método de utilizara Tabela 49 Conhecendo a vazão de ar e a perda de carda distribuída (∆P), para o trecho reto de duto que estamos dimensionando, devemos proceder da seguinte maneira: Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 121 1. Selecionar a Perda de carga distribuída ∆P =1,0 Pa/m; 2. Selecionar a Vazão de ar do trecho V = 2500 l/s; Após você ter feito isto, na mesma tabela, pode-se encontrar, as retas que representam o diâmetro do duto, e a velocidade que o ar terá no interior do duto no trecho pretendido (Ventilador-A), ou seja: 3. Encontramos um duto de diâmetro Ø = 625 mm; 4. Encontramos a velocidade no interior do duto será de v = 8,0 m/s Nota: Sempre o diâmetrodo duto será inicialmente obtido de forma circular, a seguir o mesmo será transformado em duto retangular, conforme necessidade do projeto. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 122 Exemplo Prático selecionamento do trecho reto do duto com a Tabela 49 Selecionar a Perda de Carga Distribuída ∆P = 1,0 Pa / m 2. Selecionar a Vazão de ar do trecho V = 2500 l/s 3. Encontramos um duto de diâmetro 625 mm 4. Encontramos a velocidade no interior do duto será de v = 8,0 m/s Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 123 Transformar duto circular em retangular Como já mencionamos todo projeto de movimentação de fluidos em tubulação, o cálculo é feito em tubos circulares. Para transformar o duto em retangular, quadrado ou ovalado deve-se utilizar tabelas de conversão, (também conhecida como “tabelas de equivalência”). A Tabela 50, foi desenvolvida pela ASHRAE / SMACNA, para transformar dutos circulares em retangulares ou quadrados (ou vice e versa). Em nosso “Exemplo Prático”, devemos transformar o duto do circular do trecho (ventilador-A) em um duto retangular. Método de utilizara Tabela 50 Conhecendo o diâmetro do duto circular, do duto, determinado anteriormente, devemos proceder da seguinte maneira: 1. Selecionar o diâmetro do duto Ø = 625 mm; 2. Altura necessária do duto retangular H = 350 mm; Nota: Para se utilizar a tabela de equivalência, Tabela 50, é necessário sempre conhecermos de antecedência, a altura (H), ou largura (L), do duto que será transformado. Após você ter feito isto, na mesma tabela, pode-se encontrar, o lado do duto retangular no trecho pretendido (Ventilador-A), ou seja: 3. Encontramos o lado do duto retangular L = 1000 mm; Nota: Dizemos que o duto retangular 1000 mm x 350 mm é equivalente a o duto circular de Ø = 625 mm. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 124 Exemplo Prático Transformar trecho reto do duto circular de Ø = 625 mm em duto retangular de 1000 x 350 mm, com auxilio da Tabela 49 Representação dos Lados do duto Retangular Os lados do duto deverão ser representados, segundo suas medidas, em desenho, conforme especificação vista na figura a seguir, que podem ser entendidas da seguinte forma: Quando a vista do desenho for em planta: Lado x Altura (L x H) Quando a vista do desenho pela Elevação: Altura x Lado (H xL) Quando a vista for em Corte : Lado x Altura (L x H) Na vista em corte com duas diagonal, conforme C-1, significa que o duto possui pressão positiva, utilizado para insuflamento de ar. Na vista em corte com uma diagonal, conforme C-2, o duto esta em depressão, como é o caso de dutos utilizados para exaustão Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 125 Representação das medidas do duto em desenho Perda de carga no trecho reto de duto (ventilador-A) A perda de carga total no trecho reto de duto pode ser facilmente obtida, com a seguinte equação: Em nosso “Exemplo Pratico”, a perda de carga no trecho reto Ventilador – A, será: Comprimento da rede de duto = 20 m Perda de carga distribuída ∆P = 1,0 Pa/m ∆P = 20 m x 1,0 Pa/m ∆P = 20 Pa Resumo do trecho duto reto (Ventilador-A) Em nosso exemplo pratico obtivemos os seguintes valores no trecho reto de duto: Vazão de ar do trecho V = 2500 l/s; Perda de carga distribuída ∆P =1,0 Pa/m; Duto circular equivalente, de diâmetro Ø = 625 mm; Velocidade no interior do duto será de v = 8,0 m/s; Duto retangular 350 mm x 1000 mm; Perda de carga no trecho reto ∆P = 20 Pa. ∆P = Perda de carga distribuída x comprimento reto do duto Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 126 Dimensionamento das singularidades Após termos calculado os trechos retos de duto, sua dimensão e velocidade do ar você pode agora determinar as singularidades (cotovelo, ramal, entre outros). O modelo de cálculo será o recomendado pela SMACNA – ASHRAE, a qual as principais singularidades encontram-se nos anexos, nas Tabelas 51. Nota: Lembre-se adotaremos o método de calculo da SMACNA, mas você pode utilizar outro método que achar conveniente, como o método da TRANE ou CARRIER, que também são de excelente aplicação, parta estes casos você deve procurar os referidos manuais, cujo titulo se encontra nas referências desta apostila. Iremos continuar dimensionando nosso “Exemplo Prático” conforme desenho unifilar da rede de dutos, visto anteriormente. Perda de Carga nas Curvas – Singularidades As curvas, também denominadas de cotovelos, em sistemas de dutos têm de ser corretamente projetados se quiserem manter as perdas de carga (P) por fricção num valor mínimo, desta forma é muito importante que a velocidade seja distribuída uniformemente ao longo do corte transversal da curva. Perda excessiva de carga (P) por atrito é devida ao fato de o ar não ser uniformemente distribuído ao longo da curva. A porção de corrente de ar que passa ao longo do bordo exterior da curva é desviada ao fato do ar não ser uniformemente distribuída ao logo da curvatura. Perda de carga na curva “entre o ventilador e A” A curva, como pode ser observado, anteriormente, no layout unifilar da rede de dutos que atendera uma série de escritorio, está interligando os trechos retos da rede de duto entre o “ventilador e o ponto A” , como foi determinado anteriormente, este trecho de duto possui as seguintes caracteristicas: Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 127 Resumo do duto trecho Reto Grandeza Unidade Trecho do duto Ventilador-A Vazão m3 /h 9000 l/s 2500 Duto circular equivalente (ø) mm 625 Duto retangular mm x mm 1000 x 350 Velocidade do ar ( CEv ) m /s 8,00 Tabela com as informações da singularidade A curva que utilizaremos no projeto de nosso “Exemplo Prático”, e que ira se conectar com o trecho reto do duto, dimensionado anteriormente, terá a seguinte forma geométrica especificada na figura a seguir. Detalhes da curva “D”, localizada no trecho CE A determinação do raio (R) é uma prerrogativa do projetista, quanto maior melhor, pois acarretará uma menor perda de carga, em nosso exemplo utilizaremos R = 350mm. Método de determinar a Perda de Carga na Singularidade Com as tabelas 51 devemos encontrar uma que geometricamente se assemelha com a curva que necessitamos para o nosso projeto. A Figura 51.4, é a que se aproxima mais da curva do nosso exemplo. Para utilizarmos a Figura 51.4 , necessitamos determinar o “quociente de curvatura” e “cociente de aspecto” da curva , estes valores são solicitados na tabela que se encontra ao lado da Figura 51.4 8,0 m/s H = 1000 mm Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 128 Quociente de curvatura Um termo que é largamente usado em projetos este quociente acha-se dividindo o raio (C), pela sua largura (W), algumas vezes este raio é medido até a linha de centro da curva e representado como RW. Assim, com referência à figura acima, o “quociente de curvatura” será:Quociente de Aspecto O quociente de aspecto de um duto de trecho reto é sempre igual ao lado maior do duto dividido pelo seu lado menor. Contudo, no caso de curvas, o quociente de aspectos é sempre igual à altura (H) do duto dividido pela sua largura (W). Assim, os quocientes de aspecto das curvas da figura anterior serão: 350 1000 W H 0,385,2 W H Com os valores do quociente de curvatura e aspecto, iremos até os anexos (tabela 51 figura 51.4), para encontrar o valor do coeficiente de proporcionalidade (C = 0,18). Determinação do Coeficiente de proporcionalidade C, para a curva do Exemplo Prático Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 129 Perda de carga (P) da curva Agora vamos calcular o valor da perda de carga (∆P) na curva pela equação, que já foi mencionada anteriormente, a qual se encontra no final das figuras da Tabela 51: Dados da curva Velocidade na curva = 8,0 m/s; Coeficiente de proporcionalidade = 0,18. 20,818,06,0 xxP PaP 912,6 Resumo da perda de carga da curva (Ventilador-A) Em nosso “Exemplo Pratico” obtivemos o seguinte valore da perda de carga da curva entre o ventilador e o ponto A da rede de duto: Perda de carga na curva ∆P =6,912 Pa Perda de carga total na rede de dutos A perda de carga total na rede de dutos (∆P) é a soma de todas as perdas de carga nos trechos retos de duto e de suas singularidades, desde o condicionador de ar até o difusor que estiver mais distante do equipamento condicionador, ou o ventilador como no caso de nosso “Exemplo Pratico” , no qual o difusor 18 . Nota: Calculamos a perda de carga no trecho mais longo de duto, pois se o condicionador de ar possui uma pressão estática em seus ventiladores, que o torna capaz de vencer todas as perdas de carga no trecho mais longo, a qual logicamente existirá uma maior perda de carga, conseqüentemente este ar de insuflação poderá também alcançar os ramais de duto que possuírem uma menor perda de carga, admitidas a partir do condicionador de ar. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 130 No “Exemplo Pratico” da rede de dutos que estamos realizando para a determinação das singularidades do projeto de conjunto de escritórios, devemos calcular a perda de carga desde a saída do ventilador de ar até o difusor mais distante, o de número 18, Tarefa para o aluno Você deve agora determinar o restante do projeto do trecho dos dutos retos do nosso “Exemplo Prático” , e a perda de carga de todas as singularidades, e no final calcular a perda de carga total. Para facilitar o seu trabalho você pode preencher a tabela a seguir: PROJETO REDE DE DUTOS TRECHO Vazão Velocidade ∆P Distribuída Coef. C Diâmetro Retangular Comprimento ∆P Total L/s m/s Pa/m mm mm x mm m Pa Vent-A 2500 8,0 1,0 --- 625 1000x350 20 20 Curva 2500 8,0 --- 0,18 625 1000x350 --- 6,912 Ramal A Trecho AB Ramal B Trecho B13 Curva Ramal 13 Ramal 14 Ramal 15 Ramal 16 Ramal 17 Ramal 18 Difusor 18 Total Nota: Na tabela o trecho designado, por exemplo, como Ramal 13, refere-se a saída do duto para o difusor 13. Nota: Na tabela a perda de carga no difusor 18, que é igual em todos difusores, do “Exemplo Prático”, já foi determinado por você anteriormente, quando estudamos os difusores. Caso você queira é possível utilizar a tabela anterior nos seus projetos profissionais, ou você pode criar alguma semelhante, nos anexos, encontramos a Tabela 52, que é um modelo de tabela para “Dimensionamento da Rede de Dutos”, que foi recomendada pela SMACNA. Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 131 Observação final Com o catálogo do fabricante do condicionador de ar deve-se observar que a pressão estática disponível, que esta registrada junto ao evaporador e ventilador, deve ter um valor maior do que a perda de carga da rede de dutos. Caso a pressão estática da máquina seja igual ou menor que a perda de carga da rede de dutos, deve-se refazer o projeto dos dutos (trechos mais curtos, curvas mais suaves, tamanho maior dos dutos). Se não for possível diminuir a perda de carga na rede de dutos, deve-se entrar em contato com o fabricante do condicionador de ar e solicitar um novo projeto do ventilador no equipamento. Nota: Lembrando que, a perda de carga na rede de dutos (∆P) também se utiliza como para a sua unidade de medida, além do Pa (Pascal) o mmca (milímetros de coluna de água), e que a relação entre eles pode ser escrita como; mmca = 9,803Pa Por exemplo uma perda de carga de 100 Pa será então: ∆P = 100 Pa = 10,2 mmca Resumindo o capítulo A grande maioria dos projetos de distribuição de ar, principalmente no que se refere a rede de dutos, esta intimamente ligada com a perfeita distribuição de ar no interior de um local que esta sendo climatizado, pois muitas vezes por mal dimensionamento, ou negligencia do projetista, as redes de duto apresentam uma perda de carga maior do que o pressão estática que o ventilador do condicionador de ar pode oferecer, fazendo com que o ar a ser insuflado, não consiga alcançar os difusores mais afastados da rede. Caso você venha a se tornar um projetista, seguir os passos recomendados nesta apostila é a maneira perfeita de dirigir o seu projeto, caso você seja um profissional da área de manutenção, realizar estes cálculos é uma maneira de você avaliar e Termofluidomecânica IV Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 132 desenvolver um relatório técnico sobre as verdadeiras causas do mau funcionamento de uma rede de dutos. Aprenda mais Você percebeu como é extenso o conteúdo básico de “Mecânica dos Fluidos” Para você se aprimorar mais sobre os mesmos, estamos sugerindo alguns livros e publicações técnicas que poderão ajudá-lo neste momento: DISTRIBUIÇÃO DE AR – Valter Rubens Gerner Apostila - 2007 ELEMENTOS BÁSICOS DE AR CONDICIONADO – Raul Peragalo Torreira Editora Hemus - 1983 FÍSICA APLICADA A CONSTRUÇÃO – CONFORTO TÉRMICO – Ennio Cruz da Costa - Editora Edgard Blucher – 1991 INTRODUÇÃO A TECNOLOGIA DA REFRIGERAÇÃO E CLIMATIZAÇAO – Josué Graciliano da Silva - Editora Artliber - 2004 ISNTALAÇÕES DE AR CONDICIONADO – Helio Creder Editora LTC - 1997 MANUAL DE AR CONDICIONADO – Trane The Trane Company – 1980 MANUAL DE AIRE ACONDICIONAD HIDRAULICA – Carrier Air Conditioning Company Editora Marcombo - 19978 Nota: As publicações sugeridas se encontram disponíveis em nossa biblioteca.
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