8,1 Balanços térmicos

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REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL 
E 
COMERCIAL
8.1 – BALANÇOS TÉRMICOS
O cálculo da carga térmica de câmaras frigoríficas para arrefeci-mento, congelação e armazenamento de produtos exigem:
Um correcto estabelecimento das condições climáticas do local; 
Determinação das condições internas da câmara; 
Devem ser consideradas as seguintes parcelas para a determinação da carga térmica:
Transmissão de calor pelas paredes, tecto e piso;
Devida aos produtos contidos na câmara;
Infiltração de ar exterior quando da abertura e fecho das portas de acesso das câmaras;
Instalação eléctrica e iluminação; 
Ocupantes;
Outras fontes de calor no interior da câmara.
Condições exteriores de projecto
As condições exteriores de projecto são obtidas de fontes específicas para a cidade ou local considerados.
Se a câmara sofrer influência da radiação solar directa, o valor da temperatura exterior deverá ser corrigido, em função da orientação da parede e da sua coloração. 
O cálculo da diferença de temperatura entre o interior e o exterior da câmara efectuado de acordo com a equação:
Text = 60% Tmáx + 40% Tmédia
CORRECÇÃO PARA A DIFERENÇA DE TEMPERATURAS EM CÂMARAS FRIGORÍFICAS ( ΔT´ ) em º C 
Cor escura, preto azul escuro, marron, ardósia, etc.
Cor média (cinza, amarelo, azul, etc.
Cor clara tal como: branco, azul claro, verde claro, etc.
 Para o caso do solo deve considerar-se uma temperatura de 15º C, mas no caso de existir um vazio sanitário a temperatura do solo deverá ser tomada como. 
Condições internas de projecto
Para os melhores resultados, cada produto deveria ser armaze-nado de acordo com os seus requisitos específicos de tempe-ratura e humidade relativa, espe-cificados em manuais, como o Handbook - Applications da ASHRAE (1978). 
Porém, nem sempre se torna prático construir uma câmara individual para cada produto que é manipulado por uma indústria ou comércio. 
Assim, os produtos a serem armaze-nados são divididos em grupos que requerem condições de armazena-mento semelhantes.
Carga térmica devido à transmissão de calor
A carga térmica devido à transmissão de calor através das paredes, tecto, piso, portas, etc. é uma função:
Do diferencial de temperatura entre o ambiente externo e o interior da câmara; 
Da condutividade térmica dos elementos construtivos da câmara (paredes, tecto, piso, portas, etc.); 
Da área das superfícies expostas ao diferencial de temperaturas. 
A carga térmica pode ser calculada por: 
A equação representa a quantidade de calor que penetra na câmara através das superfícies das paredes, tecto e piso. 
A, é a área destas superfícies; 
ΔT, o diferencial de temperatura entre o ambiente exterior e o interior da câmara; 
U, o coeficiente global de transfe-rência de calor.
De modo geral, para o cálculo da resistência térmica deve-se levar em consideração: 
O coeficiente de convecção interno; 
A condutividade térmica dos materiais construtivos da parede ;
O coeficiente de convecção externo. 
Assim, tomando-se uma câmara frigorífica com paredes de alvenaria, a resistência térmica será dada por:
Em que:	
αext 	coeficiente de convecção externo (W/m2.K);
αint 	coeficiente de convecção interno (W/m2.K);
ka 	condutividade térmica da alvenaria (W/m.K);
ki 	condutividade térmica do isolante (W/m.K);
La 	espessura da alvenaria (m);
Li 	espessura do isolante (m);
RT	resistência térmica total m2.K/W;
U	coeficiente global de transferência de calor W/m2.K
Coeficiente de convecção externo, como valores típicos, tem-se:
8,1 W/m2.ºC para o ar parado 
40 W/m2.º C para o ar com uma velocidade próxima de 25 km/h. 
O coeficiente de convecção interno, que também depende da movimentação do ar dentro da câmara, varia de 8,0 a 17,5 W/m2.ºC. 
Os valores da condutividade térmica dos materiais construtivos das câmaras podem ser obtidos de tabelas ou, para o caso dos isolantes, de dados dos fabricantes
TCâmara
Text;max> 32º C
Text;max< 32º C
º C
mm
mm
10 a 16
50
25
4 a 10
50
50
-4 a 4
75
50
-9 a -4
75
75
-18 a -9
100
75
-26 a -18
100
100
-40 a -26
125
125
Espessura mínima de isolamento de poliuretano expandido
A carga térmica devido à transmissão de calor: 
Calculada pelo somatório da carga de calor transferida por todos os elementos da envolvente. 
Conforme a equação, em que Aj é a área individual de todas as superfícies da câmara.
O ganho de calor latente devido à transmissão de humidade através da envolvente das câmaras
Com os novos isolamentos, é insignificante. 
Se forem empregues materiais permeáveis à humidade, a carga é calculada de acordo com o capítulo 22 do manual da ASHRAE “Handbook Fundamentals 1989”.
Carga térmica devido aos produtos
Geralmente corresponde à maior percentagem da carga térmica de câmaras de arrefecimento e congela-mento. 
É composta, basicamente, das seguin-tes parcelas:
Calor sensível antes do congelamento. 
Calor latente de congelamento. 
Calor sensível após o congelamento.
Calor de respiração. 
Calor sensível antes do congela-mento. 
É devido ao calor que deve ser reti-rado do produto para reduzir sua temperatura desde a temperatura de entrada na câmara até a temperatura de início de congelamento.
Ou no caso em que o produto somente vai ser arrefecido, até à a sua temperatura final.
Calor latente de congelamento. 
É o calor retirado do produto para promover a sua mudança de fase, isto é, ser congelado.
Calor sensível após o congelamento. 
Esta parcela corresponde ao calor que deve ser retirado do produto para reduzir a sua temperatura desde a temperatura de congelamento até a temperatura final do produto.
Calor de respiração. 
Representa o calor libertado na câmara devido ao processo de respiração de frutas frescas e vegetais. A libertação deste calor de respiração, também conhecido como calor vital, varia com a temperatura. 
Assim, quanto mais frio o produto, menor o calor libertado.
Produto
Água
%
Sólidos
%
Calor específico e entalpia
Antes cp,1
kJ/kg.ºC
Congelação
hfgkJ/kg
Depois cp,2
kJ/kg.ºC
Azeite
 
 
1,67
1,47
 
Enguias
62
38
2,93
1,63
209
Ameixas
87
13
3,85
1,72
293
Limões
83-89
17-11
3,85
1,93
276-297
Cenouras
83
17
3,64
1,88
276
Calor específico dos alimentos e seus componentes
Temperatura de congelação de diferentes produtos
Produto
TcongºC
Carne de aves
-2,7
Carne de coelho
-2,7
Carne de ovinos
-2,0
Carne de porco
-2,0
Carne de bovino
-2,0
Frutas frescas
-0,3 a -3,0
Hortaliças
-0,5 a -1,5
Ovos
-2,2
Leite
-0,6
Manteiga
-5,6
Peixe
-2,2
Queijo
-1,7
mdia - movimentação diária de um determinado produto na câmara, em kg/dia.
cp,1 - calor específico do produto antes do congelamento, em kJ/kg. ºC.
Carga térmica devido aos produtos
Tent - 	temperatura de entrada do produto na câmara, em ºC.
T1 -	para câmaras de arrefecimento, é a temperatura final do produto; para câmaras de congelamento, é a própria temperatura de conge-lamento do produto, em ºC.
hfg - 	calor latente de congelamento do produto, em kJ/kg.
cp, 2 - calor específico do produto após o congelamento, em kJ/kg. ºC.
T2 -	temperatura final do produto congelado em ºC.
mT - quantidade total de produtos na câmara, em kg.
Qresp - quantidade de calor libertado pela respiração do produto, em kJ/kg.dia.
Calor de respiração e libertação de CO2 de frutos e verduras (Segundo Hawkins)
Carga térmica devido à infiltração de ar exterior
A carga térmica devido à infiltração de ar está relacionada com:
A entrada de ar quente (ar externo); 
Com a saída de ar frio da câmara frigorífica.
Através de portas ou quaisquer outras aberturas. 
Cada vez que uma porta da câmara é aberta, uma determinada quantidade de ar externo penetra na mesma, a qual deverá ser arrefecida pelo sistema frigorífico da câmara, aumentando a carga térmica. 
A quantidade de ar que entra na câmara pode ser estimado, a partir do factor de troca de ar (FTA) de uma câmara.
Este factor depende do volume e tipo da câmara. 
O FTA expressa o número de trocas de ar por dia (trocas/dia)
da câmara. 
Pode ser calculado a partir de Tabelas
FACTOR DE TROCA DE AR DE CÂMARAS FRIGORÍFICAS 
Vcam é o volume da câmara, em m3;
 ΔH´ refere-se ao calor cedido por metro cúbico de ar que entra na câmara, sendo dado pela Tabela
Uma vez conhecido o volume de ar externo que entra na câmara por dia, pode-se determinar a carga de infiltração pela equação.
Cargas diversas
Todos os equipamentos eléctricos instalados no interior da câmara frigorífica (lâmpadas, motores, etc.) dissipam calor. 
O calor dissipado por motores eléctricos pode ser obtido a partir da sua potência e do seu rendimento. 
CALOR DISSIPADO POR MOTORES ELÉCTRICOS
Na ausência de dados específicos sobre um item determinado, podem ser utilizados os valores das tabelas, as quais fornecem o calor dissipado em função da potência do motor.
Assim, tem-se:
No caso de armaduras com lâmpadas Led (-40 a 60º C) deve-se considerar uma potência de 2 W/m2.
Carga térmica decorrente da presença de pessoas. 
No interior das câmaras frigoríficas depende: 
Actividade que estas pessoas estão a exercer; 
Do tipo de vestuário; 
E sobretudo, da temperatura da câmara. 
Uma forma para estimar a carga térmica decorrente das pessoas é por meio de calculo.
Tcam - é a temperatura da câmara, em ºC
 - tempo de permanência das pessoas, em h/dia
n - número de pessoas na câmara
A – área da câmara m2
Carga térmica devido aos motores dos ventiladores
Outra fonte de calor que está presente no interior das câmaras frigoríficas são os motores dos ventiladores dos evaporadores.
 Só é possível determinar a potência dissipada por estes ventiladores após a sua selecção dos, mediante consul-ta ao catálogo do fabricante.
Os evaporadores só podem ser seleccionados após o cálculo da carga térmica total da câmara, o que inclui o calor liberado pelos evaporadores. 
Isto remete-nos a uma solução iterativa, em que, em primeiro lugar, estima-se a potência dos ventiladores e, em seguida, seleccionam-se os evapora-dores. 
A potência dos ventiladores, dada pelo catálogo do fabricante, deve ser então comparada com o valor inicialmente estimado.
Caso não haja concordância entre estes valores, uma nova potência deve ser estimada para os ventiladores. 
O cálculo repetido.
Como estimativa inicial, podem ser utilizados valores entre 0,37 e 0,75 kW por 3,5 kW (potência de refrigeração) para a potência mecânica dos ventiladores. 
A carga térmica destes equipamentos pode ser dada directamente pela equação:
Capacidade frigorífica
Determinação da capacidade frigorífica dos compressores. 
As parcelas da carga térmica foram determinadas para um dia isto é, os seus valores são em kJ/dia. 
Os compressores do sistema frigorífico não operam 24 horas por dia. 
O que exige uma fixação do seu tempo de operação para a determinação de sua capacidade frigorífica.
O tempo de operação dos compres-sores, normalmente varia de 16 a 20 h/dia, de acordo com o tipo de descongelação dos evaporadores da instalação. 
Excepto para o caso de degelo por circulação de ar, o tempo de operação dos ventiladores dos evaporadores é igual ao dos compressores