Apostila de Ar Condcionado e Ventilação 2ª edição

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Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 2 
 
 
 
CARGA HORÁRIA TOTAL: 45h CRÉDITOS: 03 
 
EMENTA: 
Introdução: calor, primeira e segunda leis da termodinâmica, mistura ar-vapor d’água, carta psicrométrica, umidificação e 
desumidificação. Dados para o projeto. Cálculo da carga térmica. Meios de condução do ar. Ventilação e exaustão. Torres de 
arrefecimento e condensadores evaporativos. Controles automáticos. Instalações típicas. 
 
DISTRIBUIÇÃO DO CONTEÚDO PROGRAMÁTICO, ATIVIDADES TEÓRICAS E AVALIAÇÕES. 
Data Tipo Assunto 
24/02 Teórica 
Capítulo 1 – Revisão de Transferência de Calor – Exercícios 
Capítulo 2 – Noções Refrigeração – Parte I - Exercícios 
03/03 Teórica Capítulo 2 – Noções Refrigeração – Parte II - Exercícios 
10/03 Teórica 
Capítulo 3 – Psicrometria – Parte I – Exercícios 
Trazer 5 cópias da carta psicrométrica – Anexo 3 
17/03 Teórica 
Capítulo 3 – Psicrometria – Parte II – Exercícios 
Trazer 5 cópias da carta psicrométrica – Anexo 3 
24/03 Teórica Capítulo 4 – Características dos sistemas de condicionamento de ar 
31/03 Teórica 
Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica – Parte I – Exercícios 
Trazer 5 cópias da planilha de Carga Térmica – Anexo 1 
07/04 Teórica 
Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica – Parte II – Exercícios 
Revisão para a Avaliação // Resolução de Exercícios 
14/04 Avaliação 1ª Verificação – V1 (Valor: 8,0 pontos) – Entrega do projeto – (Valor: 2,0 pontos) 
28/04 Teórica 
Vista de Prova 
Capítulo 6 – Meios de Condução do Ar - Exercícios 
05/05 Teórica 
Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão – Parte I – Exercícios 
Trazer 1 cópia de cada Ábaco – Anexo 4 
12/05 Teórica Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão – Parte II - Exercícios 
19/05 Teórica Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão – Parte III - Exercícios 
26/05 Teórica Capítulo 8 – Torres de Arrefecimento e Condensadores Evaporativos 
02/06 Teórica Capítulo 9 – Controle Automáticos 
09/06 Avaliação 2ª Verificação – V2 (Valor: 7,0 pontos) 
23/06 Avaliação 3ª Verificação – V3 (Valor: 10,0 pontos) 
Total 45 horas 
 
Bibliografia Básica: 
 
CREDER, Hélio; Instalações de ar condicionado; 6ª edição; Rio de Janeiro. Ed. LTC; 2003; 
SILVA, J. de Castro, Refrigeração e Climatização para Técnicos e Engenheiros, Ed. Ciência Moderna 
COSTA, Ennio Cruz. Ventilação. 1ª edição. São Paulo. Ed. Edgard Blucher. 2005. 
 
Bibliografia Complementar: 
 
NBR 16401:2008 – Partes 1, 2 e 3. Instalações de ar-condicionado - Sistemas centrais e unitários. Rio de 
Janeiro: ABNT. 
DOSSAT, R. J. Princípios de Refrigeração. Ed. Hemus, 1980. 
MILLER, M. R.; MILLER, R. Refrigeração e Ar Condicionado. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 
SILVA, J. G. Introdução à Tecnologia da Refrigeração e Climatização. São Paulo: Ed. ArtLiber, 2004. 
SILVA, R. B. Manual de Refrigeração e Ar Condicionado. São Paulo: FEI PUC, 1968. 
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Capítulo 1 – Revisão de Transferência de Calor .......................................................................................................................... 7 
 1.1 Condução ................................................................................................................................................................... 8 
 1.2 Convecção .................................................................................................................................................................. 9 
 1.3 Radiação ................................................................................................................................................................... 10 
 1.4 Condução Unidimensional em regime estacionário .................................................................................................. 11 
 1.4.1 Distribuição de temperatura ................................................................................................................... 11 
 1.4.2 Resistência Térmica ............................................................................................................................... 12 
 1.4.3 A parede composta ................................................................................................................................ 13 
Exercícios ....................................................................................................................................................................................... 14 
 
Capítulo 2 – Noções de Refrigeração ......................................................................................................................................... 15 
 2.1 Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor ........................................................................................... 16 
2.2 Sistemas de Refrigeração ......................................................................................................................................... 17 
 2.4.1 Sistema de compressão de vapor .......................................................................................................... 18 
 2.4.2 Sistema de refrigeração por absorção de vapor .................................................................................... 18 
 2.4.3 Sistema por expansão de ar .................................................................................................................. 19 
 2.4.4 Refrigeração por efeito termelétrico ....................................................................................................... 20 
2.5 Gases Refrigerantes ................................................................................................................................................. 21 
 2.3.1 Nomenclatura dos Gases Refrigerantes ................................................................................................ 24 
Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 25 
 
Capítulo 3 – Psicrometria ............................................................................................................................................................ 26 
3.1 Definições Fundamentais ......................................................................................................................................... 26 
 3.1.1 Ar seco ................................................................................................................................................... 26 
 3.1.2 Ar não saturado e ar saturado ................................................................................................................ 26 
 3.1.3 Umidade absoluta (UA) .......................................................................................................................... 27 
 3.1.4 Umidade Relativa (UR) .......................................................................................................................... 27 
 3.1.5 Temperatura de bulbo seco (TBS) ......................................................................................................... 27 
 3.1.6 Temperatura de bulbo úmido (TBU) ....................................................................................................... 27 
 3.1.7 Temperatura de orvalho ......................................................................................................................... 27 
 3.1.8 Psicrômetro ............................................................................................................................................ 28 
 3.1.9 Carta Psicrométrica ................................................................................................................................28 
3.2 Processos Psicrométricos ......................................................................................................................................... 30 
3.2.1 Aquecimento sensível (Aquecimento seco) ........................................................................................... 30 
 3.2.2 Resfriamento sem desumidificação (Resfriamento seco) ...................................................................... 30 
 3.2.3 Resfriamento com desumidificação ....................................................................................................... 31 
 3.2.4 Resfriamento e umidificação (Resfriamento evaporativo) ...................................................................... 31 
 3.2.5 Aquecimento e Umidificação .................................................................................................................. 32 
 3.2.6 Aquecimento e Desumidificação ............................................................................................................ 33 
 3.2.7 Mistura de ar .......................................................................................................................................... 33 
3.3 Resfriamento pela evaporação ................................................................................................................................. 34 
Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 36 
 
Capítulo 4 – Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar .................................................................................. 37 
4.1 Conforto Térmico ...................................................................................................................................................... 37 
 4.1.1 Metabolismo ........................................................................................................................................... 37 
4.1.2 Condições de Conforto ........................................................................................................................... 38 
4.2 Sistemas de Ar Condicionado ................................................................................................................................... 40 
4.3 Tipos de Condensação ............................................................................................................................................. 41 
4.4 Tipos de Instalações ................................................................................................................................................. 41 
 4.4.1 Condicionador de Ar do tipo Janela ....................................................................................................... 42 
 4.4.2 Condicionador de Ar Split-System ......................................................................................................... 44 
 4.4.3 Condicionador de Ar Centrais ................................................................................................................ 49 
 4.4.4 Condicionador de Água Gelada (Water Chiller) ..................................................................................... 51 
4.5 Sugestões para a escolha do sistema de AC mais indicado .................................................................................... 53 
 4.5.1 Split-System ........................................................................................................................................... 53 
 4.5.2 Selfs a água gelada ................................................................................................................................ 53 
 4.5.3 Sistemas evaporativos ........................................................................................................................... 53 
4.6 Escopo de Projetos de Ar Condicionado e Ventilação .............................................................................................. 53 
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4.6.1 Estudo preliminar ................................................................................................................................... 53 
 10.2 Elaboração do anteprojeto ...................................................................................................................................... 53 
 10.3 Projeto definitivo ..................................................................................................................................................... 54 
 10.4 PMOC ..................................................................................................................................................................... 54 
Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 54 
 
Capítulo 5 – Cálculo da Carga Térmica ....................................................................................................................................... 55 
5.1 Cálculo da carga térmica simplificada ...................................................................................................................... 55 
5.2 Cálculo da carga térmica sem simplificações ........................................................................................................... 60 
 5.2.1 Carga de condução ................................................................................................................................ 60 
 5.2.2 Carga devida à insolação – Calor sensível ............................................................................................ 62 
 5.2.3 Carga devida aos dutos ......................................................................................................................... 64 
 5.2.4 Carga devida às pessoas ....................................................................................................................... 65 
 5.2.5 Carga devida aos equipamentos ............................................................................................................ 66 
 5.2.6 Carga devida à infiltração ....................................................................................................................... 68 
 5.2.6.1 Método da Troca de Ar ......................................................................................................... 68 
 5.2.6.2 Método das Frestas .............................................................................................................. 69 
5.2.7 Carga devida à ventilação ...................................................................................................................... 70 
 5.2.8 Carga Térmica total ................................................................................................................................ 71 
 5.2.9 Total de Ar insuflamento ........................................................................................................................ 71 
 5.2.10 Cálculo da absorção da umidade dos recintos .................................................................................... 72 
 5.2.11 Cálculo do calor latente ........................................................................................................................ 72 
 5.2.12 Cálculo do calor total usando a carta psicrométrica .............................................................................. 73 
 5.2.13 Determinação das condições do ar de insuflamento ........................................................................... 73 
 5.2.14 Preenchimento da Planilha do Cálculoda Carga Térmica Sem Simplificações .................................. 74 
Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 78 
 
Capítulo 6 – Meios de Condução do ar ....................................................................................................................................... 80 
6.1 Dutos de chapas metálicas ....................................................................................................................................... 80 
6.2 Métodos de dimensionamento de dutos ................................................................................................................... 81 
 6.2.1 Método da velocidade ............................................................................................................................ 82 
 6.2.2 Método da igual perda da carga ............................................................................................................. 83
 6.2.3 Método da recuperação estática ............................................................................................................ 85 
6.3 Perdas de pressão em um sistema de dutos ............................................................................................................ 85 
 6.3.1 Perdas de pressão estática (Pe) ............................................................................................................. 85 
 6.3.2 Perdas de pressão dinâmica (PV) .......................................................................................................... 85 
 6.3.3 Perdas de carga acidentais .................................................................................................................... 86 
 6.3.4 Pressão de resistência de um sistema de dutos (Pr) ............................................................................. 87 
6.4 Isolamento e junção dos dutos ................................................................................................................................. 88 
6.5 Dados práticos para o dimensionamento de dutos ................................................................................................... 88 
6.6 Distribuição de ar nos recintos .................................................................................................................................. 89 
 6.6.1 Grelhas simples e com registros ............................................................................................................ 89 
 6.6.2 Escolha da altura da grelha de insuflamento ......................................................................................... 90 
 6.6.3 Distância entre as grelhas de insuflamento ........................................................................................... 91 
 6.6.4 Seleção e determinação da vazão de uma grelha ................................................................................. 91 
 6.6.5 Difusores de teto ou aerofuses .............................................................................................................. 92 
Exercícios ........................................................................................................................................................................................ 93 
 
Capítulo 7 – Ventilação e Exaustão ............................................................................................................................................. 94 
7.1 Definições ................................................................................................................................................................. 94 
 7.1.1 Características de um ventilador ............................................................................................................ 94 
 7.2 Tipos de Ventiladores ............................................................................................................................................... 94 
 7.3 Trocas de ar nos recintos ......................................................................................................................................... 95 
 7.4 Velocidades recomendadas para o ar ...................................................................................................................... 96 
 7.5 Ventilação geral ........................................................................................................................................................ 96 
 7.5.1 Volume de ar a insuflar .......................................................................................................................... 97 
 7.5.2 Tipos de ventilação ................................................................................................................................ 97 
 7.5.3 Projeto de uma instalação de ventilação geral ....................................................................................... 98 
 7.5.4 Ventilação em residências ..................................................................................................................... 98 
7.6 Exaustão ................................................................................................................................................................. 100 
 7.6.1 Captor ................................................................................................................................................... 100 
 7.6.2 Dutos de ar ........................................................................................................................................... 101 
 7.6.3 Ventilador ............................................................................................................................................. 102 
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 7.6.4 Chaminés ............................................................................................................................................. 102 
Exercícios ...................................................................................................................................................................................... 103 
 
Capítulo 8 – Torres de Arrefecimento e Condensadores Evaporativos ................................................................................ 104 
8.1 Introdução ............................................................................................................................................................... 104 
 8.2 Torres de Arrefecimento ......................................................................................................................................... 104 
8.2.1 Tabelas Climatológicas ........................................................................................................................ 107 
8.2.2 Escolha de uma torre de arrefecimento ............................................................................................... 108 
8.2.3 Perdas de água .................................................................................................................................... 110 
8.2.4 Quantidade de água de circulação ....................................................................................................... 110 
8.2.5 Escolha da Bomba d’água de circulação (BAC) .................................................................................. 110 
8.2.6 Potência da Bomba d’água de circulação (BAC) ................................................................................. 111 
 8.3 Condensadores Evaporativos .................................................................................................................................111 
8.3.1 Partes constituintes .............................................................................................................................. 111 
8.3.2 Funcionamento ..................................................................................................................................... 111 
8.3.3 Dados práticos gerais para os condensadores evaporativos ............................................................... 112 
Exercícios ...................................................................................................................................................................................... 113 
 
Capítulo 9 – Controles Automáticos ......................................................................................................................................... 114 
9.1 Introdução ............................................................................................................................................................... 114 
 9.2 Sistemas de controles automáticos ........................................................................................................................ 114 
 9.3 Controles elétricos .................................................................................................................................................. 114
 9.4 Diagramas de controle ............................................................................................................................................ 116 
 
Referências Bibliográficas ........................................................................................................................................................ 120 
 
Anexo 1 – Planilha para Cálculo da Carga Térmica Simplificada ................................................................................................ 121 
Anexo 2 – Planilha de Cálculo estimado da carga térmica sem simplificações ........................................................................... 122 
Anexo 3 – Carta Psicrométrica ..................................................................................................................................................... 125 
Anexo 4 - Ábacos de Ventilação .................................................................................................................................................. 126 
 
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TBS – Temperatura de Bulbo Seco (°C) 
TBU – Temperatura de Bulbo Úmido (°C) 
Q – Vazão (m³/h) 
A – Área (m²) 
k – Condutividade Térmica 
h – Coeficiente de transf. de calor por convecção 
ODP – Potencial de destruição da camada de ozônio 
GWP – Potencial de aquecimento global 
CFC – Cloroflúorcarbono 
HCFC –Hidrocloroflúorcarbono 
HC – Hidrocarbonetos 
P – Pressão (Pa) 
PC – Pressão de Condensação 
PO – Pressão de Evaporação 
L – Comprimento (m) 
 – Umidade Específica (kg/kg de ar seco) 
 – Umidade Relativa (%) 
h – Entalpia (kJ/kg de ar seco) 
Es – Eficiência de saturação (%) 
TPO – Temperatura do Ponto de Orvalho (°C) 
RCS – Razão de Calor Sensível 
s – Entropia (kJ/kgK) 
 – Volume específico (m³/kg) 
qx – taxa de transferência de calor 
q‖x – Fluxo térmico 
C – Condutância térmica 
U – Coeficiente global de transf. de calor 
qS – Calor sensível 
qL – Calor latente 
CFM – pés cúbicos por minuto 
MCM – metros cúbicos por minuto 
MCH – metros cúbicos por hora 
FPM – pés por minuto 
MPM – metros por minuto 
GPM – galões por minuto 
TR – tonelada de refrigeração 
C.A. – coluna d’água 
1 BTU = 1055,4 J 
1 BTU/h = 0,2931 W 
1 kcal = 3,968 BTU 
1 TR = 12000 BTU/h 
1 TR = 3024 kcal/h 
 
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Uma simples definição, mas geral, fornece uma resposta satisfatória para a pergunta: O que é transferência de 
calor? 
 
 
 
 
Sempre que houver uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios, haverá, necessariamente, 
transferência de calor [1]. Na figura 1.1 é apresenta os diferentes tipos de processos de transferência de calor por 
modos. 
 
Condução através de um sólido ou 
fluido estacionário 
Convecção de uma superfície para 
um fluido em movimento 
Troca líquida de calor por radiação 
entre duas superfícies 
 
 
Figura 1.1: Modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação [1]. 
 
O termo condução é utilizado quando existe um gradiente de temperatura em um meio estacionário e sólido. 
Já o termo convecção faz referência à transferência de calor que ocorrerá entre uma superfície e um fluido em 
movimento quando eles estiverem a diferentes temperaturas. 
O terceiro modo, radiação térmica, consiste de ondas eletromagnéticas viajando com a velocidade da luz. 
Como a radiação é a única que pode ocorrer no espaço vazio, esta é a principal forma pela qual o sistema Terra-
Atmosfera recebe energia do Sol e libera energia para o espaço. 
Na figura 1.2 é apresentada uma ilustração com os três modos de transferências de calor agindo 
simultaneamente. 
 
 
Figura 1.2: Mecanismos de transferência de calor. Fonte: http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-9.html 
Transferência de calor (ou calor) é energia térmica em trânsito devido a uma diferença de 
temperaturas no espaço. 
Revisão de Transferência 
de Calor 
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1.1 Condução 
A condução está intimamente ligada aos conceitos de atividades atômicas e moleculares, pois são processos 
nesses níveis que mantêm este modo de transferência de calor [1]. 
Pode ser vista como a transferência de energia das partículas mais energéticas para as menos energéticas de 
uma substância devido às interações entre partículas. Considere que a figura 1.3, é um gás, no qual exista um 
gradiente de temperatura. 
 
 
Alguns exemplos de transferência de calor por condução: a extremidade exposta de uma colher de metal 
subitamente imersa em uma xícara de café quente; No inverno, um quarto aquecido, há perda significativa de 
energia para o exterior. 
É possível quantificar processos de transferência de calor em termos de equações de taxa apropriadas. 
Para a condução térmica, a equação da taxa é conhecida como lei de Fourier. Para uma parede plana 
unidimensional, mostrada na figura 1.4, a equação da taxa é representada na forma: 
 
 
Figura 1.4: Transferência de calor unidimensional por 
condução [1]. 
 
Nas condições de estado estacionário mostradas na figura 1.3, com a distribuição de temperaturas linear, o 
gradiente de temperatura pode ser representado como: 
 
 
 
 
 
 
Com isso, o fluxo térmico pode ser escrito na forma: 
 
 
 
 
 
 
 
A taxa de transferência de calor por condução, qx (W), é dada através da simples multiplicação da área da 
parede plana pelo fluxo térmico por condução, ou seja: 
 
 
 
 
 
 
 
 
𝑞 𝑥 𝑘
𝑑𝑇
𝑑𝑥
 
 
O fluxo térmico q‖x (W/m²) é a taxa de transferência de 
calor na direção x por unidade de área perpendicular à direção 
da transferência e ele é proporcional ao gradiente de 
temperatura, dT/dx, nesta direção. 
O sinal negativo é uma consequência do fato do calor 
ser transferido na direção da temperatura decrescente. 
(1.1) 
(1.2) 
(1.3) 
Figura 1.3: Associação da transferência 
de calor por condução à difusão de 
energia devido à atividade molecular [1]. 
(1.4) 
Exemplo 1.1: A parede de um forno industrial é construída em tijolo refratário com 0,15 m de espessura, cuja 
condutividade térmica é de 1,7 W/(m.K). Medidas efetuadas ao longo da operação em regime estacionário 
revelam temperaturas de 1400 e 1150 K nas paredes interna e externa, respectivamente. Qual éa taxa de calor 
perdida através de uma parede que mede 0,5 m por 1,2 m? 
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1.2 Convecção 
O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos: movimento molecular aleatório 
(difusão) e o movimento global do fluido. Este movimento do fluido está associado ao fato de que, em um instante 
qualquer, um grande número de moléculas está se movendo coletivamente ou como agregado. 
Tal movimento, na presença de um gradiente de temperatura, contribui para a transferência de calor. 
Considere o escoamento de um fluido sobre a superfície aquecida da figura 1.5. 
 
 
 
Figura 1.5: Desenvolvimento da camada limite na transferência de calor por convecção [1]. 
 
Uma consequência da interação entre o fluido e a superfície é o desenvolvimento de uma região no fluido 
através da qual a sua velocidade varia entre zero, no contato com a superfície (y=0), e um valor infinito , 
associado ao escoamento do fluido. Essa região do fluido é conhecida por camada limite hidrodinâmica ou de 
velocidade. 
Além disso, se as temperaturas da superfície e do fluido forem diferentes, existirá uma região no fluido através 
da qual a temperatura variará de TS, em y=0, até T, associada à região do escoamento afastada da superfície. 
Se TS > T, transferência de calor por convecção se dará da superfície para o fluido em escoamento. 
A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo com a natureza do escoamento do 
fluido. 
 
 Convecção forçada: quando o escoamento é causado por meios externos, tais como: um ventilador, 
uma bomba, ou ventos atmosféricos; 
 Convecção natural (livre): o escoamento é induzido por forças de empuxo, que são originadas a 
partir de diferença de densidades (massas especificas) causadas por variações de temperatura no 
fluido. 
 
A figura 1.6 ilustra esta classificação. 
 
Figura 1.6: Processos de transferência de calor por convecção: (a) convecção forçada, (b) convecção natural. 
 
Distribuição da 
temperatura T(y) 
Distribuição da 
velocidade u(y) 
Superfície 
aquecida 
Componentes 
quentes sobre 
placas de 
circuitos 
impressos 
Escoamento 
forçado 
Escoamento devido 
às forças de empuxo 
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Foi descrito o modo de transferência de calor por convecção como a transferência de energia ocorrendo no 
interior de um fluido devido aos efeitos combinados da condução e do escoamento global do fluido. A energia que 
está sendo transferida é a energia sensível, ou térmica interna, do fluido. Contudo, há processos de convecção nos 
quais existe também a troca de calor latente. Essa troca de calor latente é geralmente associada a uma mudança 
de fase entre os estados líquidos e vapor do fluido. Dois casos particulares de interesse são a ebulição e a 
condensação. 
Por exemplo, na figura 1.7 (a) mostra a transferência de calor por convecção resultante da movimentação do 
fluido induzida por bolhas de vapor geradas no fundo de uma panela contendo água em ebulição. Outro exemplo, é 
a condensação de vapor d’água na superfície externa de uma tubulação por onde escoa água fria, figura 1.7 (b). 
 
 
Figura 1.7:(a) Ebulição e (b) Condensação [1]. 
 
Independemente da natureza específica do processo de transferência de calor por convecção, a equação 
apropriada para a taxa de transferência possui a forma: 
 
Onde q‖, o fluxo de calor por convecção (W/m²), é proporcional à diferença entre as temperaturas da 
superfície e do fluido , TS e T, respectivamente. Essa expressão é conhecida como a lei do resfriamento de 
Newton, e o parâmetro h (W/(m².K)) é chamado de coeficiente de transferência de calor por convecção. 
Quando a equação 1.5 é usada, o fluxo de calor por convecção é considerado positivo se o calor é transferido 
a partir da superfície (TS > T) e negativo se o calor é transferido para a superfície (T>TS). Contudo, se T>TS, não 
existe nada que impeça a representação da lei de resfriamento de Newton por: 
 
A tabela 1.1 são apresentados alguns valores para o coeficiente de transferência de calor por convecção. 
 
Tabela 1.1: Valores típicos do coeficiente de transferência de calor por 
convecção [1]. 
Processo h 
(W/(m².K)) 
Convecção natural 
Gases 2-25 
Líquidos 50-1000 
Convecção forçada 
Gases 25-250 
Líquidos 100-20.000 
 
1.3 Radiação 
A radiação térmica é a energia emitida pela matéria que se encontra a uma temperatura não-nula. A energia do 
campo de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas. 
Considere os processos de transferência de calor por radiação 
na superfície mostrados na figura 1.8. A radiação que é emitida pela 
superfície tem sua origem na energia térmica da matéria delimitada 
pela superfície e a taxa na qual a energia é liberada por unidade de 
área (W/m²) é conhecido como poder emissivo, E, da superfície. 
Há um limite superior para o poder emissivo, que é determinado 
pela lei de Stefan-Boltzmann 
Bolhas 
de vapor Água 
Placa quente 
Ar úmido 
Gotas de 
água 
Água Fria 
 
Figura 1.8: Troca por radiação 
em uma superfície [1]. 
(1.5) 
(1.6) 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 11 
 
 
Onde TS é a temperatura absoluta (K) da superfície e  é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W/(m² . 
K4)). Tal superfície é chamada um radiador ideal ou corpo negro. 
O fluxo térmico emitido por uma superfície real é menor do que aquele emitido por um corpo negro à mesma 
temperatura e é dado por: 
 
 
 
Tabela 1.2: Resumo de processos de transferência de calor. 
Modo Mecanismo(s) Equação da taxa 
Propriedade de transporte 
ou coeficiente 
Condução 
Difusão de energia devido ao movimento 
molecular aleatório 
 
 
 
 
k (W/(mK)) 
Convecção 
Difusão de energia devido ao movimento 
molecular aleatório acrescido da 
transferência de energia em função do 
movimento macroscópico (adevecção) 
 h (W/(m²K)) 
Radiação 
Transferência de energia por ondas 
eletromagnéticas 
 
 
 
Ou 
 
 
hr (W/(m²K)) 
 
1.4 Condução Unidimensional em regime estacionário 
 
Na condução de calor unidimensional em uma parede plana, a temperatura é uma função somente da 
coordenada x e o calor é transferido exclusivamente nessa direção. 
Na figura 1.9, uma parede plana separa dois fluidos, que se encontram a diferentes temperaturas. 
A transferência de calor ocorre por convecção do fluido quente a , para uma superfície da parede a , 
por condução através da parede e por convecção da outra superfície da parede a para o fluido frio a . 
 
 
Figura 1.9: Transferência de calor através de uma parede plana. (a) Distribuição de temperaturas; e (b) Circuito térmico 
equivalente [1]. 
 
1.4.1 Distribuição de temperatura 
 
A distribuição de temperaturas na parede pode ser determinada através da solução da equação do calor com 
as condições de contorno pertinentes. 
(1.7) 
(1.8) 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 12 
Nota-se que a condução unidimensional em regime estacionário em uma parede plana sem geração de calor 
e com condutividade térmica constante, a temperatura varia linearmente com x, ou seja, varia com de acordo com a 
espessura da parede. 
Aplicando a lei de Fourier para determinar a taxa de transferência de calor por condução, tem-se: 
 
 
 
 
 
 
( ) 
Note que A é área da parede normal à direção da transferência de calor e, na parede plana, ela é uma 
constante independente de x. 
 
1.4.2 Resistência TérmicaDa mesma forma que uma resistência elétrica está associada à condução de eletricidade, uma resistência 
térmica pode ser associada à condução de calor. 
Definindo resistência como a razão entre um potencial motriz e a correspondente taxa de transferência, 
através da equação 1.9 que a resistência térmica para a condução em uma parede plana é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Uma resistência térmica pode também ser associada à transferência de calor por convecção em uma 
superfície. A partir da lei do resfriamento de Newton: 
 
 
 
A resistência térmica para a convecção é, então, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O circuito térmico equivalente para a parede plana com condições de convecção nas duas superfícies é 
mostrada na figura 1.9 (b). 
A taxa de transferência de calor pode ser determinada pela consideração em separado de cada elemento da 
rede. Uma vez que qX é constante ao longo da rede, segue-se que: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Em termos de diferença de temperaturas global, , e da resistência térmica total, , a taxa de 
transferência de calor pode também ser representada por: 
 
 
 
 
 
Como as resistências condutiva e convectiva estão em série e podem ser somadas, tem-se que: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A troca radiante entre a superfície e a vizinhança pode, também, ser importante se o coeficiente de 
transferência de calor por convecção for pequeno (como é frequentemente na convecção natural em um gás). 
Uma resistência térmica para a radiação pode ser definida tendo-se como referência a equação: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(1.9) 
(1.13) 
(1.10) 
(1.11) 
(1.12) 
(1.14) 
(1.15) 
(1.16) 
(1.17) 
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1.4.3 A Parede Composta 
 
Circuitos térmicos equivalentes também podem ser usados em sistemas mais complexos, como, por 
exemplo, paredes compostas. Tais paredes podem possuir uma quantidade qualquer de resistências térmicas em 
série e em paralelo, devido à presença de camadas diferentes materiais. 
Seja a parede composta, em série, mostrada na figura 1.10, a taxa de transferência de calor unidimensional 
para esse sistema pode ser representado por: 
 
 
∑ 
 
Onde é a diferença de temperatura global e o somatório inclui todas as resistências térmicas. 
Logo: 
 
 
[ ]
 
 
 
Figura 1.10: Circuito térmico equivalente para uma parede composta em série [1]. 
 
Em sistema compostos, é frequentemente conveniente o trabalho com um coeficiente global de transferência 
de calor, U, que é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton. Assim: 
 
 
Onde é a diferença de temperatura global. O coeficiente global de transferência de calor está relacionado 
à resistência térmica total e, a partir das equações 1.19 e 1.20, verifica-se que UA=1/RTOT. Portanto, para a parede 
composto da figura 1.10: 
 
 
 
 
 
[ ]
 
 
Em geral, pode-se escrever: 
 ∑ 
 
 
 
 
 
 
 
(1.20) 
(1.19) 
(1.18) 
(1.21) 
(1.22) 
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1. Informa-se que a condutividade térmica de uma folha de isolante extrudado rígido é igual k=0,029 w/(mK). A 
diferença de temperaturas medida entre as superfícies de uma folha com 20 mm de espessura deste material é T1 – 
T2 = 10 °C. 
a) Qual é o fluxo térmico através de uma folha do isolante com 2,0 m x 2,0 m? 
b) Qual é a taxa de transferência de calor através da folha de isolante? 
 
2. O fluxo térmico através de uma lâmina de madeira, com espessura de 50 mm, cujas temperaturas das superfícies 
sãod e 40 e 20°C, foi determinado como de a 40W/m². Qual é a condutividade térmica da madeira? 
 
3. As temperaturas interna e externa de uma janela de vidro com 5 mm de espessura são de 15 e 5°C. Qual é a 
perda de calor através de uma janela com dimensões de 1 m por 3 m? A condutividade térmica do vidro é de 1,4 
W/(mK). 
 
4. Uma câmara de congelador é um espaço cúbico de lado igual a 3 m. Considere que a sua base seja 
perfeitamente isolada. Qual é a espessura mínima de um isolamento à base de espuma de estireno (k=0,030 
W/(mK)) que deve ser usada no topo e nas paredes laterais para garantir uma carga térmica menor do que 500 W, 
quando as superfícies interna e externa estiveram a -10°C e 35°C? 
 
5. Um aquecedor elétrico encontra-se no interior de um longo cilindro de diâmetro igual a 30 mm. Quando água, a 
uma temperatura de 25°C e velocidade 1 m/s, escoa perpendicularmente ao cilindro, a potência por unidade de 
comprimento necessária para manter a superfície do cilindro a uma temperatura uniforme de 90°C é de 28kW/m. 
Quando ar, também a 25°C, mas a uma velocidade de 10 m/s está escoando, a potência por unidade de 
comprimento necessária para manter a mesma temperatura superficial é de 400W/m. Calcule e compare os 
coeficientes de transferência de calor por convecção para os escoamentos da água e do ar. 
 
6. O vidro traseiro de um automóvel é desembaçado pela fixação de um aquecedor em película, fino e transparente, 
sobre a sua superfície interna. Aquecendo eletricamente este elemento, um fluxo térmico uniforme pode ser 
estabelecido na superfície interna. Para um vidro com 4 mm de espessura, determine a potência elétrica, por 
unidade de área do vidro, necessária para manter uma temperatura na superfície interna em 15°C, quando a 
temperatura do ar no interior do carro e o coeficiente convectivo são T,i= 25°C e hi = 10 W/(m²K), enquanto a 
temperatura e o coeficiente convectivo no ar exterior (ambiente) são T,e = - 10°C e he = 65 W/(m²K). 
7. Uma janela de vidro, com 1 m de largura e 2 m de altura, tem espessura de 5 mm e uma condutividade térmica 
de kv= 1,4 W/(m.K). Se em um dia de inverno as temperaturas das superfícies interna e externa do vidro são de 
15°C e -20°C, respectivamente, qual é a taxa de calor através da janela, é costume usar janelas de vidro duplo nas 
quais as placas de vidro são separadas por uma camada de ar. Se o afastamento entre as placas for de 10 mm e as 
temperaturas das superfícies do vidro em contato com os ambientes estiverem nas temperaturas de 10°C e -15°C, 
qual é a taxa de perda de calor em uma janela de 1m x 2m? A condutividade térmica do ar é ka = 0,024 W/(m.K). 
 
 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 15 
 
Uma simples definição, sobre refrigeração, é que seu objetivo é remover o calor de um corpo. O calor é uma 
forma de energia que o homem não pode destruir. Por isso, ao ser removido, o calor é transferido de um local onde 
não é desejado para outro onde não incomoda. 
O estudo apresentado aqui será dedicado ao condicionamento de ar para o verão. Na figura 2.1 um recinto é 
condicionado cuja temperatura interna é Ti, a temperatura externa é TE, calor que entra no recinto representado por 
QE, o calor gerado ou existente no recinto QG e calor total Q, uma vez que TE > Ti. 
 
 
Figura 2.1 – Balanço térmico de um recinto. Adaptado: [2] 
 
Realizando o balanço térmico do recinto mostrado na figura 2.1, tem-se a seguinte equação: 
 
 
 
Com isso, o equipamento de refrigeração deverá retirar o calor e mais o calor devido às perdas no processo. 
Refrigeração é o termo usado quando o sistema é mantido a uma temperatura mais baixa que a vizinhança. 
Como a tendência do calor é penetrar no recinto, por diferença de temperatura, a quantidade de calor deve ser 
retiradado sistema para manter a sua temperatura Ti. 
Na figura 2.2 o diagrama de um ciclo de refrigeração a compressão de vapor. 
 
 
Figura 2.2: Ciclo de refrigeração a compressão de vapor. 
 
Ti 
TE 
Q 
QE 
QG 
Recinto Condicionado 
Equipamento 
frigorígeno 
(2.1) 
Noções de Refrigeração 
 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 16 
Também pode-se representar o ciclo de refrigeração num diagrama T-S, conforme figura 2.3. 
 
 
Figura 2.3: Diagrama T-S do ciclo de refrigeração. [3] 
 
O efeito da retirada do calor do sistema é efetuado pelo evaporador entre os pontos 2-3, pois para se efetuar 
a evaporação do fluido necessita-se do ―calor latente de vaporização‖. 
A quantidade de calor rejeitado e de calor absorvido é obtida através da área correspondente no diagrama. 
 
Exemplo 2.1: Em um ciclo Carnot, os processos ocorrem às seguintes temperaturas e entropias: 
 
 
Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo? 
 
 
 
2.1 Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor 
 
Um ciclo térmico real qualquer deveria ter para 
comparação o ciclo de CARNOT, por ser este o ciclo de 
maior rendimento térmico possível. Entretanto, dado as 
peculiaridades do ciclo de refrigeração por compressão 
de vapor, define-se um outro ciclo que é chamado de 
ciclo teórico, no qual os processos são mais próximos 
aos do ciclo real e, portanto, torna-se mais fácil 
comparar o ciclo real com este ciclo teórico (existem 
vários ciclos termodinâmicos ideais, diferentes do ciclo 
de Carnot, como o ciclo ideal de Rankine, dos sistemas 
de potência a vapor, o ciclo padrão ar Otto, para os 
motores de combustão interna a gasolina e álcool, o 
ciclo padrão ar Brayton, das turbinas a gás, etc). Este 
ciclo teórico ideal é aquele que terá melhor performance 
operando nas mesmas condições do ciclo real. 
 
 
 
 
Figura 2.4: Ciclo teórico de refrigeração por compressão de 
vapor. [5] 
 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 17 
A Figura 2.4 mostra um esquema básico de um sistema de refrigeração por compressão de vapor com seus 
principais componentes, e o seu respectivo ciclo teórico construído sobre um diagrama de Mollier, no plano P-h. Os 
equipamentos esquematizados na Figura 2,4 representam, genericamente, qualquer dispositivo capaz de realizar os 
respectivos processos específicos indicados. 
Os processos termodinâmicos que constituem o ciclo teórico em seus respectivos equipamentos são: 
a) Processo 1→2. Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático reversível e, portanto, isentrópico, 
como mostra a Figura 2,4. O refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (Po) e com título igual a 1 (x 
=1). O refrigerante é então comprimido até atingir a pressão de condensação (Pc) e, ao sair do compressor está 
superaquecido à temperatura T2, que é maior que a temperatura de condensação TC. 
b) Processo 2→3. Ocorre no condensador, sendo um processo de rejeição de calor, do refrigerante para o 
meio de resfriamento, à pressão constante. Neste processo o fluido frigorífico é resfriado da temperatura T2 até a 
temperatura de condensação TC e, a seguir, condensado até se tornar líquido saturado na temperatura T3, que é 
igual à temperatura TC. 
c) Processo 3→4. Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão irreversível a entalpia constante 
(processo isentálpico), desde a pressão PC e líquido saturado (x=0), até a pressão de vaporização (Po). Observe 
que o processo é irreversível e, portanto, a entropia do refrigerante na saída do dispositivo de expansão (s4) será 
maior que a entropia do refrigerante na sua entrada (s3). 
d) Processo 4→1. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de calor a pressão constante 
(Po), consequentemente a temperatura constante (To), desde vapor úmido (estado 4), até atingir o estado de vapor 
saturado seco (x=1). Observe que o calor transferido ao refrigerante no evaporador não modifica a temperatura do 
refrigerante, mas somente muda sua qualidade (título). 
 
2.2 Sistemas de refrigeração 
 
Os meios artificiais reduzem a temperatura de uma substância mediante o consumo de energia sob um 
princípio de funcionamento característico do tipo de processo de refrigeração. A Tabela 2.1 apresenta um resumo 
dos processos mais comuns, seus princípios de funcionamento e aplicações típicas. Inicialmente, a refrigeração 
artificial foi usada para produzir gelo e reduzir a dependência das condições climáticas. Embora os sistemas de 
expansão de ar, de absorção e de compressão mecânica de vapor estivessem disponíveis, suas utilizações em 
instalações comerciais e residenciais eram inviabilizadas pelos custos elevados e riscos que representavam aos 
usuários. 
 
Tabela 2.1: Processos de refrigeração, princípios de funcionamento e aplicações típicas. 
Processos Princípio de funcionamento Aplicações típicas 
Compressão mecânica de 
vapor 
Um fluido volátil (refrigerante primário) recebe calor 
e evapora em baixa pressão e temperatura. 
Aparelhos de ar condicionado de janela, 
refrigeradores domésticos, sistemas 
comerciais e industriais de grande 
porte. 
Absorção de vapor 
O vapor de um fluido volátil, absorvido por outro 
fluido em baixa pressão e temperatura, é destilado 
da solução sob alta pressão. 
Em pequenos refrigeradores 
domésticos e em instalações de 
refrigeração e ar condicionado de 
grande porte. 
Efeito termelétrico 
Uma corrente elétrica atravessa uma junção de 
dois metais diferentes (efeito Peltier)e produz 
resfriamento. 
Pequenos instrumentos de medição, 
como os existentes para medir o ponto 
de orvalho do ar, e equipamentos 
eletrônicos. 
Expansão de ar 
O ar em alta pressão, sofre expansão adiabática e 
realiza trabalho sobre um pistão, tem sua 
temperatura reduzida. 
Resfriamento de aeronaves. 
 
 
Após a Segunda Guerra Mundial (1939–1945) a indústria da refrigeração consolidou-se. Dois fatores foram 
determinantes: primeiro, o desenvolvimento, em 1930, dos refrigerantes cloro-fluor-carbono (CFC’s) que 
apresentavam índices baixos de toxicidade e periculosidade, adequados às instalações residenciais e comerciais; 
segundo, o surgimento do sistema selado de pequeno porte, com baixos custos de aquisição e operação, pois 
exigia pouca manutenção. 
 
 
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2.2.1 Sistema de compressão de vapor 
 
A Figura 2.5 mostra o esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor. Os 
componentes principais são: evaporador, compressor, condensador e dispositivo de expansão. No evaporador, a 
mistura líquido-vapor em baixa pressão remove calor da substância que se quer resfriar. Essa transferência de calor 
faz com que o líquido evapore. O compressor aspira vapor formado no evaporador, numa taxa suficiente para 
manter a pressão de evaporação, e o comprime até que sua temperatura seja maior do que a do fluido de 
resfriamento que escoa no condensador. No condensador, o vapor refrigerante rejeita calor para o fluido de 
resfriamento e liquefaz na pressão de condensação correspondente. No dispositivo de expansão, a pressão do 
líquido é reduzida até a pressão de evaporação para que ele possa ser reaproveitado no ciclo. O dispositivo de 
expansão é um controle de fluxo do refrigerante, que mantém a diferença de pressão entre o condensador (lado de 
alta pressão) e o evaporador (lado de baixa pressão) do sistema. 
 
Figura 2.5: Esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor. [6] 
 
2.2.2 Sistema de refrigeração por absorção de vapor 
 
Uma forma de remover o vapor da superfíciede um líquido é absorvendo−o por meio de uma substância com 
a qual ele reaja quimicamente e nela se dissolva facilmente: o vapor d’água é absorvido rapidamente pelo ácido 
sulfúrico. 
Este princípio foi usado em 1810 por John Leslie para produzir gelo artificialmente. Ele usou dois vasos 
conectados por um tubo: um contendo água e o outro ácido sulfúrico forte. Com o passar do tempo uma fina 
camada de gelo formava−se na superfície da água: a água evaporava pela redução da pressão de vapor sobre ela, 
que removia entalpia de vaporização do restante que permanecia líquido; a temperatura caía e a água congelava. 
Uma bomba de vácuo podia ser usada para remover o vapor formado e acelerar o processo. 
O método de Leslie tornou–se a base de várias máquinas comerciais para fabricação de pequenas 
quantidades de gelo. Entretanto, havia a necessidade de recargas periódicas de ácido sulfúrico. Para operar 
ininterruptamente havia necessidade de aspiração contínua de ácido sulfúrico do recipiente, de modo que a solução 
fosse concentrada por ebulição. 
Um equipamento desse tipo foi projetado por Windhausen em 1878 e obteve algum sucesso comercial, 
porém, nunca foi muito popular. Era usado para fabricar gelo e resfriar água. Neste sistema, a água atuava como 
refrigerante; o ácido sulfúrico era denominado absorvente. 
A Figura 2.6 mostra o esquema e os principais componentes do sistema de absorção. Comparando as 
Figuras 2.5 e 2.6, verifica−se que o condensador, o evaporador e a válvula de expansão existem em ambos os 
sistemas. Entretanto, o compressor é substituído por um conjunto composto de absorvedor, bomba de solução forte, 
trocador de calor e gerador. 
Esse conjunto retira o vapor em baixa pressão do evaporador e o entrega em alta pressão no condensador, 
tal qual faz o compressor. O absorvedor é alimentado com a solução fraca de água–amônia que absorve o vapor de 
amônia. A absorção da amônia pela água é um processo que libera grande quantidade de calor, e, se nenhum 
resfriamento for providenciado, a temperatura aumenta e o processo de absorção cessa. Geralmente, a mesma 
água usada para resfriar o condensador resfria antes o absorvedor, vinda de uma torre de resfriamento. A solução 
forte, formada no absorvedor, tem sua pressão elevada pela bomba e é descarregada no gerador depois de passar 
no trocador de calor. No gerador, a solução forte é aquecida e o vapor produzido é então retificado para que amônia 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 19 
quase pura seja descarregada no condensador. A solução fraca que é formada está quente. Por isso, um trocador 
de calor é interposto entre o gerador e o absorvedor a fim de aquecer a solução forte até a temperatura do gerador e 
resfriar a solução fraca até a temperatura do absorvedor. Para manter a diferença de pressão entre o gerador e o 
absorvedor é instalada uma válvula na tubulação da solução fraca um pouco antes da entrada do líquido no 
absorvedor. 
 
 
Figura 2.6: Principais componentes do sistema de refrigeração por absorção. [6] 
 
A Figura 2.7 mostra o esquema da máquina de refrigeração por absorção de vapor usando a solução de 
brometo de lítio−água. O brometo de lítio (Li-Br) puro é sólido e se misturado adequadamente com água forma uma 
solução aquosa homogênea. Nesse caso, a água é o refrigerante e a solução de brometo de lítio o absorvente. O 
funcionamento é semelhante ao do sistema água−amônia. Entretanto, como o brometo de lítio não é volátil, na 
saída do gerador forma–se somente vapor d’água tornando dispensável o uso do retificador. Máquinas modernas, 
baseadas no esquema da Figura 2.7, reúnem o gerador com o condensador e o evaporador com o absorvedor, 
resultando em equipamentos compactos de custo reduzido e alta eficiência. O sistema de brometo de lítio é indicado 
para obtenção de água gelada em sistemas de ar condicionado de grande porte (100 a 1.200 TR). 
Os primeiros sistemas por absorção de vapor usavam o carvão como combustível para aquecimento do 
gerador; eventualmente, vapor quente proveniente de uma caldeira era utilizado. Atualmente, esses sistemas 
queimam gás natural ou óleo combustível para gerar calor. O aproveitamento de energia residual de outros sistemas 
térmicos também está sendo muito difundido em sistemas de co-geração. 
 
 
Figura 2.7: Esquema do sistema de absorção com solução de H2O-LiBr. [6] 
 
2.2.3 Sistema por expansão de ar 
 
Quando o ar em alta pressão é expandido adiabaticamente, de modo que realize trabalho sobre um pistão, 
sua temperatura é reduzida em decorrência da redução de sua energia interna. Esse princípio, conhecido desde o 
século 18, foi usado em 1828 por Richard Trevithick para descrever um processo de refrigeração. A figura 2.8 
mostra o princípio de funcionamento da máquina de refrigeração de expansão de ar com ciclo aberto. 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 20 
O ar da câmara fria é conduzido para o interior de um cilindro onde é comprimido. Durante o processo a 
temperatura do ar aumenta com o aumento da pressão. O ar quente passa então através de um trocador de calor 
onde sua temperatura é reduzida pela água de resfriamento. O ar comprimido é expandido dentro de um cilindro 
realizando trabalho sobre o pistão e tem sua temperatura reduzida. O ar frio é descarregado na câmara onde resfria 
os produtos armazenados. O trabalho realizado pelo ar sobre o cilindro de expansão é usado para fornecer parte do 
trabalho necessário à movimentação do compressor. A máquina a vapor usada para movimentar o compressor era 
montada geralmente na mesma base dos cilindros de compressão e de expansão e estava diretamente acoplada 
neles. O sistema aberto foi, por mais de 20 anos, o principal método de refrigeração do setor naval, e durante esse 
tempo ele foi melhorado em diversos aspectos. 
 
 
Figura 2.8: Esquema simplificado do ciclo aberto de refrigeração por expansão de ar.[6] 
 
Atualmente, o sistema de expansão de ar com turbo-expansor é usado para resfriar cabinas de aeronaves. 
Uma vantagem deste sistema é que ele não utiliza partes móveis tipo cilindro−pistão para comprimir e expandir o ar. 
A Figura 2.9 mostra seu esquema. No ponto 0, o ar ambiente em velocidade subsônica, que circunda a 
aeronave em alta altitude, é forçado para dentro da turbina e sua pressão aumenta do ponto 0 ao ponto 1. O ar é 
comprimido até o ponto 2, elevando sua temperatura. No trocador de calor, o ar aquecido do ponto 2 libera calor 
para a corrente de ar extraída pelo ventilador, alcançando o ponto 3. Ao passar pelo turbo–expansor tem sua 
temperatura reduzida até o ponto 4, e então é descarregado na cabina para resfriar a aeronave. Depois de remover 
calor da cabina o ar é descarregado na atmosfera. Isto caracteriza um ciclo aberto, visto que nenhum ar é 
recirculado. 
 
Figura 2.9: Sistema de expansão de ar usado em resfriamento de cabines de aeronaves. [6] 
 
2.2.4 Refrigeração por efeito termelétrico 
 
Este método de refrigeração é baseado numa descoberta de Peltier em 1834: quando uma corrente elétrica 
percorre um circuito composto de dois metais diferente uma das junções é resfriada e a outra é aquecida. Com 
metais puros este efeito é comparativamente pequeno e é em grande parte encoberto pelo aumento de temperatura 
devida à resistência dos condutores e pela condução de calor entre a junção quente e a fria. Apesar disso, usando 
bismuto e antimônio, Lenz fabricou uma pequena quantidade de gelo em 1838. 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 21 
Nos metais puros a condutibilidade térmica reduzida está relacionada com a baixa condutibilidade elétrica, de 
modo que se metal puro for usado à condução de calor de uma junção para outra é pequena, mas a perdas devido 
à resistência são grandes. A efetividadedepende principalmente da potência termelétrica, que nos metais puros é 
muito pequena. 
Em anos recentes alguns semicondutores com elevada potência termelétrica foram desenvolvidos, tornando 
possível a construção de pequenos refrigeradores. Os semicondutores podem ser de dois tipos: tipo-n se a corrente 
é conduzida pelos elétrons e tipo-p se não o é. Estes são fabricados pela contaminação da substância pura com 
pequenas quantidades de impurezas para fornecer os condutores de corrente. O semicondutor mais usado 
atualmente para fins de refrigeração é bismuto-telúrio (Bi2 Te3). 
Um elemento de refrigeração é mostrado na figura 2.10, composto de materiais tipo-n e tipo-p. Os dois 
blocos são montados em um circuito usando elementos de cobre como condutor. Aqui, o próprio cobre não toma 
parte no processo agindo somente como um condutor. É necessária uma fonte de corrente contínua de baixa 
voltagem. Visto que cada elemento utiliza somente uma fração de Volt, vários deles são conectados em série para 
formar um módulo ficando as junções quentes de um lado e as frias do outro. 
 
Figura 2.10: Esquema do sistema de refrigeração usando o princípio termelétrico. [6] 
 
 
2.3 Gases Refrigerantes 
 
Gases Refrigerantes, fluídos refrigerantes, ou simplesmente refrigerantes, são as substâncias empregadas 
como veículos térmicos na realização dos ciclos de refrigeração. Inicialmente foram utilizadas, como refrigerantes, 
substâncias com NH3, CO2, SO2, CH3Cl entre outras, mais tarde, com a finalidade de atingir temperaturas em torno 
de -75°C, substâncias com N2O, C2H6 e mesmo o propano, foram empregadas. Com o desenvolvimento de novos 
equipamentos pelas indústrias frigoríficas, cresceu a necessidade de novos refrigerantes. 
O emprego da refrigeração mecânica nas residências e o uso de compressores rotativos e centrífugos 
determinaram a pesquisa de novos produtos, levando a descoberta dos CFCs (hidrocarbonetos à base de flúor e 
cloro). Os CFCs reúnem, numa combinação única, várias propriedades desejáveis: não são inflamáveis, explosivos 
ou corrosivos; são extremamente estáveis e muito pouco tóxicos. 
Em 1974, foram detectados, pela primeira vez, os problemas com CFCs, tendo sido demonstrado que 
compostos clorados poderiam migrar para a estratosfera e destruir moléculas de ozônio. Por serem altamente 
estáveis, ao se liberarem na superfície terrestre conseguem atingir a estratosfera antes de serem destruídos. Os 
CFCs foram então condenados como os maiores responsáveis pelo aparecimento do buraco na camada de ozônio 
sobre a Antártica. Na figura 2.11 é mostrado o esquema de interação dos refrigerantes CFCs com o Ozônio. 
 
Figura 2.11: Interação dos refrigerantes à base de CFC com o Ozônio. 
Ar Condicionado e Ventilação Prof. Juvenil Jr 22 
 
A camada de ozônio tem uma função importantíssima na preservação da vida. Ela é responsável pela 
filtragem dos raios ultravioleta que, em quantidades elevadas, são prejudiciais ao meio ambiente. Ao ser humano 
podem causar doença da pele como queimadura, câncer, envelhecimento precoce, etc. 
Devido ao efeito dos CFCs sobre a camada de ozônio estratosférico, o Protocolo de Montreal de 1986, 
determinou sua substituição, provocando uma verdadeira revolução na indústria frigorífica. 
A substituição dos CFCs, juntamente com o desenvolvimento de equipamentos eficientes, constitui um 
verdadeiro desafio. Novos componentes e equipamentos têm sido desenvolvidos, novas tecnologias tem sido 
introduzidas, especialmente aquelas relacionadas à eletrônica e a informática. 
Nos últimos dez anos têm surgido inúmeros substitutos dos CFCs, a maioria no âmbito da família dos 
hidrocarbonetos halogenados, quer como substâncias puras, quer como misturas binárias ou ternárias. 
Refrigerantes naturais como CO2, têm sido seriamente cogitados pela comunidade científica e industrial. 
A amônia tem sido adotada na maioria das instalações industriais de construção recente, dominando o setor. 
Uma vasta gama de produtos alternativos aos CFCs têm sido colocada no mercado pelos produtores de compostos 
halogenados, tornando difícil ao projetista, decidir quanto ao refrigerante que melhor se ajuste à sua instalação em 
particular. Determinados setores da indústria optaram por um substituto em particular, como no caso do 
condicionamento de cabinas para aplicações automotivas, onde o CFC-12 foi substituído pelo HCFC-134a. 
O afinamento da camada de ozônio, segundo modelos das reações fotoquímicas envolvendo a irradiação 
solar ultravioleta, resulta de um efeito em cadeia promovido por átomos de cloro (e bromo), entre outros. Os átomos 
de cloro são transportados por compostos clorados, emitidos na biosfera, atingindo a estratosfera. Devido a sua 
estabilidade química, as moléculas desses compostos mantêm sua integridade durante todo o período em que 
permanecem na atmosfera até atingirem a estratosfera. Essa estabilidade química é justamente uma das 
características que credenciou os CFCs como refrigerantes. Uma molécula de refrigerante R12, que é um CFC, 
apresenta uma vida útil na atmosfera da ordem de 100 anos, tempo suficiente para que, eventualmente, atinja a 
estratosfera, transportada por correntes atmosféricas. 
De acordo com a resolução 267 de 14 de setembro de 2000, do Conselho Nacional do Meio Ambiente – 
CONAMA, ficou estabelecida a proibição, em todo território nacional, da utilização do CFC-11, CFC-12, além de 
outras substâncias que agridem a camada de ozônio, em instalações de ar condicionado central, instalações 
frigoríficas com compressores de potência unitária superior a 100 HP e em sistemas de ar condicionado automotivo. 
Tornou-se proibida, a partir de primeiro de janeiro de 2001, a utilização dessas substâncias em refrigeradores e 
congeladores domésticos, e em todos os demais equipamentos e sistemas de refrigeração. 
As importações de CFC-12 sofrerão reduções gradativas em peso, da seguinte forma: 
a) 15% no ano de 2001; 
b) 30% no ano de 2002; 
c) 55% no ano de 2003; 
d) 75% no ano de 2004; 
e) 85% no ano de 2005; 
f) 95% no ano de 2006; e 
g) 100% no ano de 2007. 
 
As importações de CFC-11 só são permitidas em situações especiais, descritas na resolução, como por 
exemplo, suprir os consumos das empresas cadastradas junto ao Instituto Brasileiro de Meio Ambiente e dos 
Recursos Naturais Renováveis - IBAMA e que tenham projetos de conversão às tecnologias livres dessa substância. 
A Tabela 2.2 apresenta as datas previstas para a proibição dos CFCs. 
 
Tabela 2.2: Resumo das datas previstas para a proibição dos CFCs 
―Phase-Out‖ Refrigerante Ação 
1996 R11, R12, R500 Extingue a produção dos refrigerantes. 
Equipamentos não mais fabricados 
2010 HCFC-22 Equipamentos não mais fabricados 
2020 HCFC-22 Extingue a produção dos refrigerantes 
2020 HCFC-123 Equipamentos não mais fabricados 
2030 HCFC-123 Extingue a produção dos refrigerantes 
 
Nos últimos anos o problema da camada de ozônio tem se composto com o problema do efeito estufa. O 
efeito estufa consiste na retenção de parte da energia solar incidente, devido à presença de certos gases na 
atmosfera que atuam de forma semelhante a um vidro, sendo transparentes à irradiação solar na faixa de 
comprimentos de onda que sensibilizam a retina, que a grosso modo varia entre 0,4 e 0,7μm, mas opacos a 
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radiação infravermelha, caracterizada por comprimentos de onda superiores a 0,7μm. Boa parte da energia solar se 
compõe de fótons na faixa visível de comprimentos de onda, ao passo que a superfície terrestre emite energia 
radiante na faixa de comprimentos de onda que correspondem a radiação infravermelha. Dessa forma, parte da 
irradiação solar incidente vai sendo progressivamente armazenada, provocando um aumento na temperatura da 
superfícieterrestre. Esse processo é semelhante ao ocorre numa estufa, daí o nome ―efeito estufa‖. 
A maioria dos compostos halogenados utilizados em instalações frigoríficas, inclusive os substitutos, podem 
provocar o efeito estufa. Entretanto, como suas emissões são muito inferiores às do CO2, que é o principal 
responsável pelo efeito estufa, sua ação não é tão significativa. 
Para a caracterização do nível de ação sobre a camada de ozônio e do efeito estufa, dois índices foram 
criados. O primeiro, referente a camada de ozônio, quantifica o potencial de destruição dessa camada que o 
particular composto apresenta em relação ao refrigerante R11, ao qual é atribuído o valor 1. Esse índice é 
denominado de " Potencial de Destruição da Camada de Ozônio" designado pelas iniciais ODP do inglês "Ozone 
Depleting Potential". O segundo índice refere-se ao efeito estufa que é resultado de dois efeitos: o efeito direto, 
causado pela presença física do composto na atmosfera e o efeito indireto, resultante da emissão de CO2 pela 
queima de um combustível fóssil para produzir a energia elétrica necessária para acionar a instalação frigorífica que 
opera com o particular refrigerante. O índice para o efeito estufa é o GWP, do inglês "Global Warming Potential" , 
que é relativo ao efeito estufa direto causado pelo refrigerante R11, ao qual é atribuído arbitrariamente o valor 1. 
A tabela 2.3 apresenta os valores dos índices ODP e GWP para alguns refrigerantes. 
 
Tabela 2.3: Valores dos índices ODP e GWP para alguns refrigerantes. 
Refrigerante ODP GWP 
CFC – 11 1 1 
CFC – 12 1 3,2 
HCFC – 22 0,05 0,34 
HCFC – 123 0,02 0,02 
HFC – 134a 0 0,28 
 
As características desejáveis de um refrigerante são: 
• Pressão de vaporização não muito baixa 
É desejável que o refrigerante apresente uma pressão correspondente à temperatura de vaporização não 
muito baixa, para evitar vácuo elevado no evaporador e também, um valor baixo da eficiência volumétrica do 
compressor devido à grande relação de compressão. 
• Pressão de condensação não muito elevada 
Para uma dada temperatura de condensação, que é função da temperatura da água ou do ar de 
resfriamento, quanto menor for a pressão de condensação do refrigerante, menor será a relação de compressão e, 
portanto, melhor o desempenho do compressor. Além disso, se a pressão no lado de alta pressão do ciclo de 
refrigeração for relativamente baixa, esta característica favorece a segurança da instalação. 
• Calor latente de vaporização elevado 
Se o refrigerante tiver um alto calor latente de vaporização, será necessário menor vazão do refrigerante para 
uma dada capacidade de refrigeração. 
• Volume específico reduzido (especialmente na fase vapor) 
Se o refrigerante apresentar um alto valor do calor latente de vaporização e um pequeno volume específico, 
na fase de vapor, a vazão em volume no compressor será pequena e o tamanho da unidade de refrigeração será 
menor, para uma dada capacidade de refrigeração. 
 
Entretanto, em alguns casos de unidades pequenas de resfriamento de água com compressor centrífugo, é 
às vezes preferível que o refrigerante apresente valores elevados do volume específico, devido à necessidade de 
aumentar a vazão volumétrica do vapor de refrigerante no compressor, tendo em vista impedir a diminuição de 
eficiência do compressor centrífugo. 
• Coeficiente de performance elevado 
O refrigerante utilizado deve gerar um coeficiente de performance elevado pois o custo de operação está 
essencialmente relacionado a este coeficiente. 
• Condutibilidade térmica elevada 
Um valor elevado da condutibilidade térmica do refrigerante é importante na melhoria das propriedades de 
transferência de calor. 
• Baixa viscosidade na fase líquida e gasosa 
Devido ao pequeno atrito fluido dos refrigerantes pouco viscosos, as perdas de carga serão menores. 
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• Baixa constante dielétrica, grande resistência elétrica e característica de não-corrosão dos materiais 
isolantes elétricos. Estas características são especialmente importantes para aqueles refrigerantes utilizados em 
ciclos de refrigeração com compressores herméticos. 
• Devem ser estáveis e inertes, ou seja, não devem reagir e corroer os materiais metálicos da instalação de 
refrigeração. 
• Não deve ser poluente 
• Não devem ser tóxicos ou excessivamente estimulantes. 
Apesar dos circuitos frigoríficos se constituírem em sistemas fechados, a possibilidade de vazamentos impõe 
que os compostos utilizados como refrigerantes apresentem nível reduzido de toxicidade, o que é satisfeito pela 
maioria dos CFCs. 
• Não devem ser inflamáveis ou explosivos. 
A possibilidade de vazamentos também impõe que os refrigerantes não sejam inflamáveis, devido ao risco de 
incêndio e explosão. 
• Devem ser de detecção fácil quando houver vazamentos. 
 
 
2.3.1 Nomenclatura dos Gases Refrigerantes 
 
Os refrigerantes são designados de acordo com a norma ASHRAE 34-1992, por números de três algarismos, 
de acordo com a seguinte regra: 
• O primeiro algarismo da direita indica o número de átomos de flúor na molécula; 
• O segundo algarismo indica o número de átomos de hidrogênio mais 1; 
• O terceiro algarismo indica o número de átomos de carbono menos 1; 
 
Uma forma simples da regra de numeração dos refrigerantes é a seguinte: 
 
 
 
As valências não preenchidas correspondem aos átomos de cloro na molécula. 
O primeiro algarismo nulo a partir da esquerda, por convenção, não é escrito. Esse é o caso, por exemplo, do 
R-12, cuja composição química é CCl2F2. Como esse refrigerante apresenta apenas um átomo de carbono, e C-1 é 
nulo, então sua designação é feita por um número de dois algarismos. 
Os isômeros são designados pelos sufixos ―a‖, ―b‖, ―c‖, etc., em ordem crescente de assimetria espacial. 
Esse é o caso, por exemplo, do R134a, que é um isômero espacial do composto 134. 
As misturas não azeotrópicas são designadas pela série 400, em ordem crescente de cronologia de 
aparecimento. 
As misturas azeotrópicas são designadas pela série 500, os compostos orgânicos, pela série 600 e os 
compostos inorgânicos pela série 700, em ordem crescente, de acordo com a massa molecular. A amônia, NH3, por 
exemplo, de massa molecular 17, é designada como refrigerante R-717, a água, H2O, de massa molecular 18, é 
designada como refrigerante R-718. 
 
Exemplo 2.2: Escreva a composição química do refrigerante, de acordo com seu nome: 
a) R-22 b) R-32 c) R-134a d) R-120 e) R-50 f) R-152 
 
Exemplo 2.3: A partir da composição química do refrigerante, escreva seu respectivo número: 
a) C2HF5 b) CCl3F c) C2H6 d)CHF3 
 
 
 
 
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8. Quando os CFC’s atingem altitudes onde a incidência de radiação ultravioleta é muito intensa, suas moléculas 
são decompostas em formas químicas mais reativas, liberando determinados átomos, que, ao reagirem com as 
moléculas de ozônio, acabam destruindo-as. 
Tais átomos prejudiciais são de: 
(A) flúor 
(B) enxofre 
(C) carbono 
(D) cloro 
(E) hidrogênio 
 
9. Explique como é o funcionamento do sistema de refrigeração por absorção de vapor. 
 
10. Em um ciclo de Carnot, os processos ocorrem às seguintes temperaturas e entropias: 
a) Situação I: 
 
 
Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo e 
COP? Faça o gráfico T x s. 
b) Situação II: 
 
 
Quais devem ser as quantidades de calor removido, Qa, e rejeitado, Qr, por kg de refrigerante circulado no ciclo e 
COP? Faça o gráfico T x s. 
 
11. Explique detalhadamente o funcionamento do circuito Frigorígeno. Esquematize