HCT - Minicurso: Ar Condicionado e Ventilação (HVAC) - Projeto e Dimensionamento - Prof. Carlos Pádua

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HCT - Minicurso: 
Ar Condicionado e Ventilação
(HVAC)
Projeto e Dimensionamento
Prof. Carlos Pádua
Objetivos da aula 
 Apresentar o histórico e as aplicações da 
indústria do Ar Condicionado, Ventilação 
e Refrigeração (HVAC-R)
 Introduzir os conceitos fundamentais para 
compreensão dos processos físicos 
envolvidos nos sistemas de HVAC
 Descrever os modos de transmissão de 
calor e suas leis básicas
 Apresentar noções de Conforto Térmico
Referências Bibliográficas 
 ASHRAE – American Society of Heating, 
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 
Fundamental Volume, 2013
 Carrier – Handbook of Air Conditioning System 
Design, 1965
 Trane, Air Conditioning Manual, 1989
 Stoecker W. F., Refrigeração e ar condicionado, 
McGraw-Hill, 1985
 ABNT NBR 16401-1– Instalações de Ar 
Condicionado, 2008
Histórico do HVAC-R
 Conceitos de condicionamento de ar desde antiguidade:
- Roma antiga - água circulando por paredes de 
residências;
- Uso da neve e do gelo natural na produção de 
alimentos gelados - Antiguidade (gregos e romanos)
- China sec. II – ventilador (roda) operação manual ou 
por água;
- Egito e Pérsia – torres para captação do ar;
- 1620 – Inventor holandês Cornelius Drebbel 
transformou verão em inverno para o Rei James I.
- Uso do gelo natural para conservação de alimentos 
(Francis Bacon - 1626) – transportados em navios –
primeiras geladeiras residenciais (a partir de 1683)
- Produção de gelo artificial usando evaporação de 
amônia (Jacob Perkins - 1834)
Início da Indústria do Ar Condicionado
- Refrigeração  parte inseparável do Ar 
Condicionado  trabalhos de Boyle, Carnot e outros 
nos sec. XVIII e XIX - termodinâmica
- 1902: Willis Carrier  pai do condicionamento de 
ar  indústria gráfica  sistema para desumidificar 
o ambiente por meio do resfriamento do ar; 
- 1906 / 1913: Carta psicrométrica – Carrier e 
Mollier;
- 1914 / 1922: Primeiro ar condicionado conforto 
residencial / teatro;
- Indústria atual – Eficiência energética, qualidade 
do ar e automação
- Uso de refrigerador doméstico usando CFC’s (1920)
Fundamentos – Temperatura
 Definição: A temperatura é uma propriedade 
Termodinâmica. Define o potencial da energia interna 
de um corpo.
 Escalas de Temperatura: É necessário escolher dois 
pontos fixos e atribuir valores numéricos a esses dois 
pontos. 
Fundamentos – Temperatura
A correlação entre as unidades é:
C = F - 32 = K - 273 = R - 492
5 9 5 9
OBS: 1) Somente as escalas Kelvin e Rankine são 
escalas termodinâmicas absolutas.
2) Como as divisões das escalas C e F são iguais 
respectivamente às divisões das escalas K e R , 
as primeiras podem ser usadas para exprimir 
variações (diferenças) de temperaturas lineares, 
na transmissão de calor
Modos de transmissão de calor
Pela 2ª Lei da Termodinâmica: o calor flui de uma região 
de temperatura mais alta para outra de temperatura 
mais baixa.
Condução: É o mecanismo pelo qual o calor flui de uma 
região de temperatura mais alta para outra de temperatura 
mais baixa, dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou 
entre meios diferentes em contato físico direto. A energia é 
transmitida por meio de comunicação molecular direta, sem 
apreciável deslocamento das moléculas. É o único mecanismo pelo 
qual o calor pode ser transmitido em sólidos opacos. 
Radiação: É um processo pelo qual o calor é transmitido 
de um corpo a alta temperatura para um de mais baixa 
temperatura, quando tais corpos estão separados no espaço, ainda 
que exista vácuo entre eles. O calor neste caso, é transportado 
por ondas eletromagnéticas, dentro de uma faixa determinada de 
frequências. Importantes para altas temperaturas.
Convecção
A convecção é um processo de transporte de calor por 
ação combinada da condução de calor, armazenamento de 
energia e movimento de mistura. É importante 
principalmente na transmissão de calor entre um meio 
sólido e um meio fluido.
- Convecção natural ou livre: Quando o movimento 
de mistura é mero resultado das diferenças de densidade 
causadas pelos gradientes de temperatura. 
- Convecção forçada: Quando o movimento de 
mistura é induzido por algum agente externo, tal como 
uma bomba ou um ventilador.
Leis Básicas da transmissão de calor
Condução: Lei de Fourier
qk = - K A ΔT, onde:
K  condutibilidade térmica do material 
A  área da seção (perpendicular ao fluxo)
ΔT  gradiente de temperatura na seção 
qk  taxa de transmissão de calor por condução
Taxa de transmissão de calor: É a quantidade de calor transmitida 
na unidade de tempo (potência térmica) 
Unidades: W ; kcal/h ; BTU/h ou TR (tonelada de refrigeração)
Condutibilidade térmica: É uma propriedade do material que 
varia com a temperatura. 
Unidades: W/(m.K) ; kcal/(h.m.C) ; BTU/(h. ft.F)
Materiais isolantes: baixo valor de “K”
Condutibilidade térmica 
Condutibilidade térmica: É uma propriedade do material 
que varia com a temperatura. Em muitos problemas na 
engenharia, porém, essa variação pode ser desprezada.
Unidades: W/(m.K) ; kcal/(h.m.C) ; BTU/(h. ft.F)
Materiais isolantes: baixo valor de “K”
Materiais condutores: alto valor de “K”
Condução através de uma parede plana 
Para regime permanente, unidimensional e considerando 
“K” independente da temperatura (K = Cte), teremos:
qk = AK (Tquente - Tfrio) =  T
L L/AK 
Definindo : R = L/AK  resistência térmica, temos : 
qk =  T 
R
Unidades: R K/W ou h.C/kcal ou h.F/BTU
Resistências térmicas – parede plana e tubo
Extrato do ASHRAE Fundamentals
Lei da radiação térmica 
 Radiação: Quantidade do calor radiante depende da 
temperatura absoluta e da natureza da superfície.
- Para o corpo Negro (Irradiador perfeito):
qr =  A1 T1
4 , onde : 
A área da superfície em m
2.
T temperatura da superfície em K.
  constante de Stefan-Boltzmann = 5,67x10-8 W/(m2.K4) 
- Transmissão de calor entre dois corpos reais:
qr =  A1 F12 ( T1
4 - T2
4 ) , onde : 
F12  fator de forma (inclui   emissividade dos corpos)
Propriedades da radiação térmica 
α = G absorvida / G incidente  absortância
ρ = G refletida / G incidente  reflectância
τ = G transmitida / G incidente  transmitância
(G energia radiante)
α + ρ + τ = 1 
Se τ = 0 (sólidos em geral):
α + ρ = 1
Principal exceção: 
vidro  τ ≠ 0
Lei de Kirchoff: ελ = αλ
Lei da Convecção 
Convecção: Taxa de calor transmitida por convecção entre 
uma superfície e um fluido. 
qc = hc A T , onde:
qc  taxa de calor em W (kcal/h ou BTU/h)
A  área de transmissão de calor em m2
T  diferença de temperatura da superfície e a do fluido, em C
hc  coeficiente médio de transmissão de calor por meio de 
convecção, em W/(m2 C) ou kcal/(h m2 C) ou BTU/(h ft2 F)
Resistência térmica: R = 1/ (hc . A)
Estruturas Compostas 

qk = C
te Regime Permanente
qk = (Ti –T1)/Ri = (T1 –T2)/RA = 
(T3 –T2)/RB = (T4 –T3)/RC =
(T4 –To) / Ro
Rtotal = Ri + RA + RB + RC + Ro
Ri = hi . A
Ro = ho . A
RA = LA /(KA.A)
RB = LB /(KB. A)
RC = LC /(KC. A)
qk = (Ti – To) / Rtotal
Coeficiente global de transmissão de calor 
qk = U A T 
como q = T / Rtotal  U As = 1/Rtotal
- Paredes planas em série :
Ti - To
qk =
1/(hi A)+LA/(KA A)+LB/(KB A)+LC/(KC A)+1/(ho A) 
1
U =
1/hi + LA/KA + LB/KB + LC/KC +1/ho
Conforto térmico 

Definição: “ É a condição da mente que expressa 
satisfação da pessoa com o ambiente em que se 
encontra”
Fatores que influenciam o conforto térmico 
- O conforto térmico humano depende de vários 
fatores, sendo que apenas alguns deles são relativos ao 
ambiente. Os quatro fatores ambientais são velocidade 
do ar, temperatura, umidade e radiação (solar ou de 
superfícies);
- A exata resposta de cada pessoa aos fatores 
ambientais depende de outros fatores não ambientais 
(metabolismo individual, roupas, tipo de atividade 
exercida, etc);
- Por isso, é muito difícil se obter um índice de 
conforto térmico que funcione para qualquer pessoa, 
em qualquer condição. Os índices existentes são 
simplificações que em geral combinam alguns ou todos 
os fatores ambientais que influenciam o conforto 
térmico.
Índice de temperatura efetiva - ET 

- É provavelmente o índice de conforto térmico mais 
comum e conhecido. Ele combina temperatura e umidade 
em um único índice, de tal maneira que dois ambientes com 
o mesmo índice indicam uma mesma resposta térmica, 
embora tenham diferentes temperaturas e umidades. Os 
ambientes devem ter, porém, a mesma velocidade do ar.
- A temperatura efetiva pode ser determinada por meio de 
um consagrado nomograma (ver figura). Ele é composto de 
uma escala de temperatura de bulbo seco a esquerda, e 
outra de bulbo úmido à direita, linhas de velocidade do ar 
constante e de temperatura efetiva constante. Note que 
este índice não faz referência à radiação térmica.
Ábaco para determinação da ET 

IBUTG -Fórmulas de cálculo 
 - O IBUTG (Índice de bulbo úmido termômetro de globo) é um 
índice que combina a temperatura de bulbo seco (tbs), a 
temperatura de bulbo úmido natural (tbn), e a temperatura de 
globo (tg).
Para ambientes externos com radiação solar:
IBUTG = 0,7 tbn + 0,1 tbs + 0,2 tg
Para ambientes internos ou sem radiação solar
IBUTG = 0,7 tbn + 0,3 tg
- A temperatura de globo responde pela temperatura do ar, 
pela temperatura radiante e pela velocidade do ar, enquanto a
temperatura de bulbo úmido natural, além de considerar estes 
três parâmetros, responde também pela umidade. 
- O IBUTG é um índice melhor que a temperatura efetiva, 
sendo largamente utilizado para estimar o potencial de 
estresse térmico nos ambientes de trabalho.
IBUTG – parâmetros considerados 
- O IBUTG, então, combina dois parâmetros derivados e, em alguns 
casos, um terceiro parâmetro básico (tbs). É função, portanto, de 
todos os quatro parâmetros básicos que determinam o conforto 
térmico, com a vantagem de que os parâmetros utilizados podem 
ser medidos diretamente no ambiente.
- A temperatura de bulbo úmido natural é o valor indicado por um 
sensor de temperatura coberto por um tecido molhado, o qual é 
naturalmente ventilado, isto é, localizado no ambiente a ser 
medido sem ventilação forçada. É diferente, portanto da 
temperatura de bulbo úmido termodinâmica medida por um 
psicrômetro (tbu).
- A temperatura de globo é a temperatura indicada por um sensor 
colocado no centro de um globo de alto coeficiente de emissão de 
radiação e de características físicas determinadas. Ela integra os 
efeitos da radiação e da velocidade do ar.
IBUTG – instrumento de medição 
NR-15 – Limites de tolerância 
- Os limites de tolerância para exposição ao calor determinados 
pela Norma Regulamentadora Brasileira NR-15 - Atividades e 
Operações Insalubres, são baseados no IBUTG e estão transcritos 
abaixo (Os critérios da NR-15 são baseados na ISO-7243 - WBGT): 
NR-15 – Tipo de atividade