A composição padrão do ar atmosférico seco ao nível do mar é definida

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1 Tecnologia do Calor Prof. Nisio C. Brum I- INTRODUÇÃO Atualmente por Condicionamento de Ar entende-se o processo de climatização artificial do ar interno a ambientes de uso público, coletivo ou destinado a manter condições ideais de operação para um determinado equipamento ou processo. Faz-se para tal o controle da temperatura do ar, da quantidade de vapor d água em mistura com o ar (umidade), da composição química, do material biológico e particulado em dispersão e da sua circulação, tal como requisitado pelo conforto térmico ou por condições específicas impostas por produtos, equipamentos ou processos. como, A composição padrão do ar atmosférico seco ao nível do mar é definida Oxigênio Nitrogênio Argônio Dióxido de Carbono 20,9476% 78,084% 0,934% % Neônio Hélio Metano Dióxido de Enxofre 0,001818% 0,000524% 0,00015% 0< SO 2 <0,0001% Hidrogênio Criptônio, Xenônio,Ozônio 0,00005% 0,0002% Em adição a esta mistura de gases, o ar contém uma variável quantidade de vapor d água a qual tem uma importância decisiva no processo de condicionamento de ar. Ao lado dos gases e vapores o ar contém uma pequena quantidade de materiais sólidos de dimensões microscópicas e submicroscópicas denominadas impurezas atmosféricas permanentes.

2 Para efeito dos cálculos termodinâmicos o ar atmosférico pode ser tratado como uma mistura de dois gases, o vapor d água e o ar seco (um elemento virtual que tem as propriedades equivalentes as dos gases apresentados na tabela acima ponderadas através das proporções em volume). Neste curso daremos especial atenção ao processo de condicionamento de ar visando ao conforto humano. Desta forma estaremos interessados em analisar ambientes habitáveis, nos quais as condições do ar interno são controladas de maneira a provocar na maioria das pessoas um estado mental característico da sensação de conforto térmico para qualquer tipo de atividade. Ao lado deste objetivo o ar interno deverá reproduzir, na medida do possível as condições do ar atmosférico padrão, i.e. deverá ser saudável. 2

3 II- PRINCIPAIS SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR No Brasil o principal condicionamento sofrido pelo ar consiste na filtragem seguida do resfriamento e desumidificação do ar a ser insuflado no recinto. Estes processos são obtidos com sistemas de condicionamento de ar que admitem a seguinte classificação. Sistemas Unitários: Aparelhos de Janela são sistemas de pequeno porte, destinados ao uso doméstico tendo como principais vantagens a facilidade de instalação e o relativo baixo custo de aquisição. No Brasil, estes equipamentos são freqüentemente utilizados em aplicações comerciais (escritórios) de forma imprópria, pois tendem a apresentar um consumo de energia muito elevado neste uso. Este aparelho consegue o resfriamento e desumidificação, um croquis RECINTO CONDICIONADO TUBULAÇÃO DE REFRIGERANTE EVAPORADOR COMPRESSOR AR EXTERIOR CONDENSADOR AR INTERNO FILTRO VENTILADOR CENTRÍFUGO VENTILADOR HELICOIDAL AR CONDICIONADO TUBO CAPILAR O processo de resfriamento e desumidificação é realizado pela passagem do ar contra a superfície externa dos tubos do EVAPORADOR. Este trocador de calor é constituído geralmente por um circuito de tubos, em forma de serpentina, pelos quais escoa um fluido à baixa temperatura denominado refrigerante. Esta baixa temperatura é responsável pelo resfriamento e desumidificação do ar. Nos aparelhos de janela o refrigerante recebe o calor do ar numa pressão tal, que ao evoluir na serpentina sofre um processo de ebulição (evaporação) à baixa temperatura. A seguir este fluido, já na fase vapor, recupera a pressão em um COMPRESSOR, para então rejeitar o calor absorvido no evaporador e durante 3

4 o processo de compressão em outro trocador de calor muito parecido com o anterior denominado CONDENSADOR. Deixando este último equipamento já na fase líquida o refrigerante completa o ciclo reduzindo sua pressão num DISPOSITIVO DE EXPANSÃO, neste sistema constituído por um tubo de pequeno diâmetro denominado tubo capilar. Este ciclo do refrigerante descrito em detalhes acima, denomina-se o Ciclo de Refrigeração por Compressão Mecânica de Vapor. Trata-se do ciclo mais empregado para a realização do processo de resfriamento e desumidificação do ar Estes aparelhos de janela também podem realizar o aquecimento através de uma reversão de funções por parte do evaporador e do condensador, conseguida através de uma válvula. Uma variação destes aparelhos, de interesse crescente, são os chamados splits ou sistemas unitários divididos. Nestes o Compressor e o Condensador são dispostos no lado externo enquanto o Evaporador (ou evaporadores) e dispositivos de expansão são colocadas na parte interna do ambiente. Sistemas unitários internos (self-contained)- são equipamentos de maior porte, podendo o calor rejeitado no condensador ser absorvido diretamente pelo ar exterior ou por uma vazão de água recuperada térmicamente em torres de arrefecimento. O croquis mostra o funcionamento de um sistema de condensação à água. No caso do condensador resfriado a ar, este pode ser remoto ou integrado ao próprio equipamento, exigindo nesta última situação a localização do sistema 4

5 próxima a parede externa do ambiente. Uma outra subdivisão deste tipo de sistemas consiste naqueles que admitem o acoplamento com uma rede de dutos e outros que insuflam o ar diretamente no recinto sem dutos de distribuição. Sistemas unitários externos nestes encontramos os rooftops tal como descritos na figura abaixo. 5

6 Sistemas Distribuídos: Os sistemas unitários então são aqueles em que todo o sistema de movimentação e condicionamento de ar são partes integrantes do mesmo equipamento. Em contraposição a estes temos os sistemas em que os componentes não estão necessariamente contidos em estruturas únicas. Estes geralmente especificados para aplicações de maior porte podem ser subdivididos em; 1- Sistemas só ar 2- Sistemas ar-água 3- Sistemas só água No primeiro sistema o ar fornecido aos diversos ambientes (zonas) a serem condicionados é resfriado diretamente pelo refrigerante que realiza o ciclo de refrigeração por compressão mecânica à vapor. Já no último o ar é condicionado junto a zona de aplicação por água gelada produzida numa central (chiller). Esta central é usualmente um ciclo de refrigeração por compressão mecânica no qual o refrigerante primário regenera térmicamente a água que se encarrega de distribuir o frio por todo os múltiplos ambientes a serem condicionados. O segundo sistema é uma combinação dos anteriormente descritos. As figuras a seguir ilustram as diversas possibilidades dos sistemas de condicionamento de ar em particular os sistemas só água constituídos por um resfriador de água (chiller) que são os mais empregados no Brasil para grandes sistemas. Este equipamentos levam o nome do compressor empregado. Inicialmente apresentamos um chiller centrífugo, i.e aquele que é acionado por um compressor centrifugo. 6

7 CHILLER CENTRIFUGO 7

8 A seguir apresentamos uma sequência de fotografias de um chiller acionado por dois compressores tipo parafuso, de cerca de 200TR Condensador à ar 8

9 Compressor parafuso Ventiladores 9

10 Os exemplos ilustrados acima são duas opções frequentemente usadas em sistemas de condiconamento de ar de médio e grande porte. A figura abaixo apresenta uma quadro geral de aplicação das máquinas com respeito a finalidade. APLICAÇÕES DE COMPRESSORES COM RESPEITO A FINALIDADE 10

11 III- INTRODUÇÃO A ANÁLISE DOS SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR Os processos sofridos pelo ar úmido podem ser modelados como aqueles experimentados por uma mistura de gases ideais. Assim, segundo a lei de Dalton, o ar seco e o vapor d água se comportam na mistura como se estivessem submetidos a uma pressão denominada parcial, a qual seria materializada se um dos componentes ocupasse sozinho todo o volume na mesma temperatura. Assim recordando a equação de estado dos gases ideais, P.V = n.rt Onde P é a pressão, V o volume, n o número de moles (massa), R a constante universal dos gases e T a temperatura absoluta. Assim aplicando a lei de Dalton obtemos, Pa n a = P n Pv n v = P n Onde P a e P v são as pressões parciais do ar seco e do vapor d água respectivamente e n a massa total da mistura ar seco e vapor d água. Somando as duas equações acima obtemos, P= P a + P v Lembrando que m = n.m, sendo m a massa em Kg e M a massa molecular Obtemos das equações acima, que P P a v m = m a v M M v a podemos agora exprimir a razão de umidade w em função da pressão total P e da pressão parcial do vapor, P v 11 mv Mv Pv ω = = ma Ma P P onde, Mv = 18,01528 e Ma = 28,9645 logo, Pv ω = P P v v (1)

12 Os estados termodinâmicos do ar úmido, isto é suas condições de equilíbrio estável, são definidos pelo conhecimento de 3 propriedades termodinâmicas independentes. Entretanto como a pressão atmosférica local é constante para uma dada aplicação ficamos reduzidos a definição de duas propriedades. Um par possível seria a temperatura do ar e sua razão de umidade ω. Entretanto a medida direta da umidade absoluta não é fácil devemos portanto procurar outra propriedade que seja facilmente mensurável.. Temperatura Termodinâmica de Saturação adiabática situação, Esta outra propriedade pode ser definida através da análise da seguinte Fluxo de Ar m a t 1 h 1 Fluxo de Água m w t2 h L2 Fluxo de Ar m a t 2 h 2s A situação esboçada acima, mostra a corrente de ar no estado termodinâmico 1, para o qual desejamos determinar a razão de umidade w 1. Este fluxo entra num dispositivo isolado termicamente cujo objetivo é conduzir o ar à saturação, i.e. ao estado em que nenhuma quantidade adicional de água, mesmo na fase vapor, conseguirá manter-se em mistura com o ar seco. Entendendo que a energia associada a uma corrente de ar úmido pode ser representada pela propriedade termodinâmica entalpia, H definida por, H = U + P.V, 12

13 Cuja unidade é o Joule ou os antigos BTU ou Kcal. Esta propriedade reúne a energia interna térmica associada a temperatura e a energia contida sobre a forma mecânica resultado do produto da Pressão pelo Volume. Como a energia é diretamente proporcional a massa podemos escrever para a mistura de vapor d água e ar seco, o ar úmido, que, H mistura = H a + H v Definindo h a e h v as entalpias do ar seco e do vapor d água por unidade de massa de ar seco e vapor d água respectivamente, podemos escrever, H = m a. h a + m v. h v Torna-se conveniente escrever a entalpia da mistura por unidade de massa de ar seco assim, teremos, h = H/m a, cuja unidade será KJoule / Kg de ar seco e da equação acima resulta, h = h a + w. h v ( 2 ) Para gases ideais a entalpia pode ser calculada pelas seguintes relações, h a = cp a. t h v = cp v.t + h lv onde usamos como referência para a entalpia nula 0 o C e cp a e cp v são respectivamente o calor específico à pressão constante para o ar seco (1,006 KJ/Kg.K) e o calor específico à pressão constante para o vapor d água superaquecido (1,805 KJ/Kg K). h lv representa a variação da entalpia da água líquida saturada a 0 o C até a condição de vapor saturado a mesma temperatura (2501 KJ/Kg) 13

14 Combinando os resultados acima chegamos a expressão da entalpia específica de uma corrente de ar úmido h = cp t +ω (2501,2 + cp t) ( 3 ) a v De posse da expressão acima podemos retomar a análise do saturador adiabático descrito na figura acima. Aplicando a primeira lei da termodinâmica, para aquele sistema podemos escrever que, m h = m h + m h a 1 w w a 2 A conservação da quantidade de água entrando e saindo do saturador permite escrever que, m = m ( ω ω ) w a 2 1 A entalpia da água líquida pode ser calculada pela seguinte expressão h w = c w. t = 4,186. t Reunindo as quatro últimas expressões e a expressão para a entalpia da mistura obtemos, (2501,2 cpv t 2) ω2s cp a (t1 t 2) ω 1 = 2501,2 + cp t + c t v 1 w 2 ( 4 ) Da expressão (1) lembramos que, ω P 2s onde, vs Pvs (t 2 ) = P P (t (t 2 vs 2 ) ( 5) ) é a pressão de vapor d'água saturado a temperatura t, obtida facilmente a partir de uma tabela de propriedades termodinâmicas do vapor d'água com o valor de t 2 2 Concluímos que obtidas as temperaturas t 1 e t 2 determinamos w 1. 14

15 A temperatura t 2, chamada temperatura termodinâmica de saturação adiabática, será então aquela que terá a corrente 1 se levada a saturação sem troca de calor com o exterior. Esta temperatura pode ser obtida aproximadamente na prática através da temperatura de bulbo úmido, a qual corresponderia a temperatura lida num termômetro, cujo bulbo esteja coberto com um material higroscópio (gaze) saturado com água e sobre o qual o ar escoa a velocidades não inferiores a 4 m/s. Uma outra medida da quantidade de vapor d água em mistura com o ar seria a umidade relativa que é definida como, Pr essão Parcial do Vapor ϕ = Pr essão Parcial do Vapor Saturado à mesma temperatura = Pv Pvs o denominador da expressão acima é facilmente obtido através de uma tabela de propriedades termodinâmicas da água entrando-se com a temperatura (de bulbo seco) do ar úmido e lendo qual seria a pressão de saturação do vapor d água nesta temperatura. Já o numerador seria calculado a partir da expressão (1), isto é a partir do conhecimento da razão de umidade que para sua determinação iremos precisar da temperatura de bulbo úmido do ar conforme o descrito acima. Esta apresentação mostra que a umidade relativa é uma grandeza derivada da razão de umidade e esta por sua vez da temperatura de saturação adiabática (bulbo úmido). O gráfico abaixo ilustra a definição de umidade relativa. 15

16 A relação entre as diversas propriedades termodinâmicas do ar úmido são usualmente apresentadas em uma forma gráfica denominada carta psicrométrica.. Esta carta é desenhada para uma determinada pressão atmosférica e tem como variável independente a temperatura ( de bulbo seco) e como ordenada cartesiana a razão de umidade. Além desta variável as cartas apresentam uma outra ordenada, inclinada em relação ao eixo horizontal que é a entalpia de saturação do ar úmido. Completando são mostradas as curvas de igual umidade relativa, temperatura de bulbo úmido e volume específico Nesta carta podemos marcar os estados termodinâmicos do ar úmido, importantes numa instalação de condicionamento de ar voltada para o resfriamento, desumidificação e renovação do ar, como por exemplo os assinalados no esboço abaixo: Ar de Retorno RA Recinto Condicionado RA Ar Externo OA EA Condicionador SA h OA w SA EA RA Evolução do Ar úmido em uma instalação de condicionamento de ar t bs 16

17 No interior do recinto condicionado podemos modelar a iluminação, as pessoas, os equipamentos como fontes de calor. Adicionalmente o calor irradiado direta e difusamente pelo sol poderá atingir o recinto, constituindo outra importante fonte de aquecimento. Os raios solares também atingem o ar externo provocando, direta ou indiretamente, uma variação na sua temperatura que irá somar-se as fontes relacionadas acima, caso por exemplo tenhamos uma infiltração através da abertura de portas ou mesmo por aquecimento das paredes externas do recinto. Neste ponto convém distinguir o ar externo que é usado na ventilação do recinto (OA), apesar de representar um fator de aquecimento do ar do recinto sua influência será tratada de maneira distinta dos outros itens tratados acima. A soma de todas as fontes de calor que agem no recinto denomina-se a carga térmica do recinto e sua determinação e minimização são pontos essenciais no projeto de uma instalação de condicionamento de ar. Recordando a expressão da entalpia do ar úmido deduzida acima, podemos aplicá-la para um balanço de energia térmica em volta de um resfriador / desumidificador, tal como abaixo, 1 Resfriador/Desumidificador 2 1Q 2 Na carta psicrométrica Água líquida m w 1 w w w 2 t bs2 t bs1 t bs Rescrevendo a expressão temos h = cp t +ω (2501+ cp t) ( 3 ) a v 17

18 Aplicando para a situação apresentada na carta teremos, cp a (tbs1 t bs2) + Q = m a (h1 h 2) mw hw = ma ,2 ( ω1 ω 2) + cp v( ω1 tbs1 ω2 t bs2) m c t w w w O último termo do lado direito da equação acima é usualmente desprezado em relação as demais parcelas bem como o último termo entre as chaves, desta forma podemos escrever, para qualquer remoção ou adição de calor em uma corrente de ar úmido Q 12 = m (h h ) = m cp (t t ) + m 2501,2 ( ω ω ) = a 1 2 a a bs1 bs2 a 1 2 = "taxa de calor sensível" + "taxa de calor latente" Como já mencionado anteriormente a unidade da expressão acima é o kwatt ainda pouco difundido como unidade para taxa de calor Na prática do condicionamento de ar a divisão de qualquer variação de energia em variação sensível e variação latente tornou-se clássica. Assim na determinação da carga térmica de um recinto é usual a subdivisão em carga sensível e latente e desta forma pode-se definir o fator de calor sensível do recinto RSHF. RSHF = RSH RSH + RLH = Taxa de calor sensível do recinto Taxa de calor sensível do recinto + Taxa de calor latente do recinto A razão entre o calor sensível e o calor total é importante na análise de processos psicrométricos. 18

19 Uma outra importante utilização destes fatores é o denominado efetivo fator de calor sensível do recinto ESHF.,Para uma melhor compreensão deste fator iremos inicialmente analisar o processo de resfriamento e desumidificação do ar quando escoando contra uma serpentina a qual em seu interior escoa o refrigerante primário ou então o secundário (água gelada). O ar ao escoar contra uma superfície com temperatura igual ou inferior a de seu ponto de orvalho irá condensar água na forma líquida. Durante o processo de condensação e assumindo praticamente uniforme a temperatura da superfície metálica poderíamos dizer que a porção do ar afetada pelo escoamento contra a serpentina estará a uma temperatura igual a temperatura da superfície perdendo toda sua energia sob a forma de água condensada. Esta temperatura denomina-se temperatura de ponto de orvalho do equipamento (Apparatus Dew Point Temperature, t ADP ). Podemos admitir também que o ar não atingido pelo resfriamento e desumidificação permanece no mesmo estado psicrométrico ao atingir a serpentina e assim o ar ao sair da serpentina será uma mistura das duas correntes descritas acima. De uma maneira reversa podemos imaginar também que o ar ao sair da serpentina será obrigatoriamente o resultado de uma mistura de duas correntes uma a temperatura ADP e a outra à temperatura da entrada, restando apenas determinar a fração da vazão total que cabe a cada uma destas correntes. A fração da vazão que passa incólume pela serpentina é denominada fração de desvio ou by-pass. Diante disto podemos descrever o processo de condicionamento pelo seguinte fluxograma. Onde o ar insuflado foi subdividido artificialmente em correntes inalteradas e correntes no estado ADP 19

20 Ar Exterior m oa.bf, h OA, Carga Térmica Latente do Recinto RLH Ar Exterior m oa.(1-bf),h ADP Ar de Retorno m RA.BF,h RA Recinto à h RA Ar de Retorno mra + moa h RA Ar de Retorno m RA.(1-BF), h ADP Carga Térmica Sensível do Recinto RSH A figura abaixo ilustra o sistema de condicionamento de ar no seu conjunto, 20

21 EXA RA RA OA RA CENTRAL DE TRATAMENTO DE AR EA LA SA RLH RSH OA Ar Externo EA Ar entrando na Central LA - Ar saindo da Central SA Ar Insuflado EXA Ar Exausto RA Ar do Recinto RECINTO CONDICIONADO 21

22 Para a taxa de calor sensível removida pelo ar insuflado temos m cp (t t ) = RSH (1) SA a RA SA m cp t = m cp t + m cp t (2) SA a RA OA a RA RA a RA m cp t = m cp t + m cp t (3) SA a SA OA a SA RA a SA Substituindo (2) e (3) em (1) tem-se, RSH = m cp (t t ) + m cp (t t ) = OA a RA SA RA a RA SA Usaremos agora o fato que qualquer fluxo de energia pode ser subdivido em uma fração BF e outra (1-BF). E além disso qualquer fração da corrente insuflada pode ser entendida como composta de uma parte no estado ADP e outra no estado termodinâmico existente antes desta atravessar a serpentina. Esta subdivisão provém da própria definição de BF. Assim, RSH=m OA cpa BF tra + m OA cp a (1 BF) tra - m OA cp a (1 BF) tadp - m OA cpa BF toa + + m cp t m cp t = RA a RA RA a SA = m OA cpa BF tra + m OA cp a (1 BF) tra - m OA cp a ( 1 BF) tadp - m OA cpa BF toa + + m cp t m cp BF t m cp (1 BF) t RA a RA RA a RA RA a ADP Reagrupando, RSH + m cp BF (t t ) = m cp (1 BF) (t t ) OA a OA RA SA a RA ADP Assim definindo a taxa de calor sensível efetiva do recinto como, ERSH RSH + m cp BF (t t ) = m cp (1 BF) (t t ) OA a OA RA SA a RA ADP Analogamente, ERLH=RLH + m BF h (0 C) ( ω ω ) = m h (0 C) (1 BF) ( ω ω ) o o OA lv OA RA SA lv RA ADP 22

23 Chegamos então a definição do fator de calor sensível efetivo ESHF, ERSH ESHF ERSH + ERLH podendo este fator ser calculado pela expressão abaixo, RSH + m cp BF (t t ) ESHF = RLH + m BF h (0 C) ( ω ω ) RSH m cp BF (t t ) OA a OA RA o OA lv OA RA + + OA a OA RA ou podemos escrever em virtude das expressões deduzidas acima que, m cp (1 BF) (t t ) = ESHF m cp (1 BF) (t t ) m h (0 C) (1 BF) ( ) SA a RA ADP o SA a RA ADP + SA lv ωra ωadp A expressão acima permite a seguinte construção gráfica na carta psicrométrica, Conhecidos, RSH, RLH, OA, RA e BF podemos determinar ESHF e assim usando a carta, tal como apresentado acima, determinamos o ponto ADP e então a vazão de ar a ser insuflada na sala pode ser determinada. Uma vez de posse da vazão m potência frigorífica necessária é determinada. SA, o ponto EA é calculado e assim a 23