AVALIAÇÃO DE AMBIENTE CONDICIONADO POR CÁLCULO DE BALANÇO TÉRMICO E SIMULAÇÃO CFD

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1 UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi FERNANDO PETRY AVALIAÇÃO DE AMBIENTE CONDICIONADO POR CÁLCULO DE BALANÇO TÉRMICO E SIMULAÇÃO CFD Panambi 2012

2 FERNANDO PETRY AVALIAÇÃO DE AMBIENTE CONDICIONADO POR CÁLCULO DE BALANÇO TÉRMICO E SIMULAÇÃO CFD Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Banca Avaliadora: 1 Avaliador: Prof. Luis Antônio Bortolaia, Doutor. Eng 2 Avaliador (Orientador): Prof. Roger Schildt Hoffmann, M. Eng.

3 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por ter guiado meus passos até aqui. A minha família, pela compreensão e pela força. Aos colegas de trabalho e de faculdade pelo companheirismo e ajuda prestada em diversos momentos.

4 RESUMO O presente trabalho apresenta a análise de um ambiente condicionado, cujo objetivo é manter a temperatura do ambiente constante. Foi realizado um balanço térmico do ambiente, levando em conta os fluxos de calor e a geração interna de calor. Depois de realizado o cálculo do balanço térmico do ambiente, foram utilizadas as taxas de transferência de calor obtida em cada superfície e medições de velocidade do ar como condições de contorno para realizar simulações da movimentação do ar e de transferência de calor no interior do recinto. Com estas simulações, buscou-se validar a metodologia, comparando os resultados com medições realizadas no interior do ambiente estudado, bem como através de uma análise qualitativa do campo de escoamentos. O software utilizado para realizar as simulações foi o pacote comercial ANSYS-CFX que utiliza a metodologia de volumes finitos. Palavras-chaves: Fluxo de calor, balanço térmico, transferência de calor, arcondicionado, volumes finitos, ANSYS-CFX.

5 ABSTRACT This work presents the analysis of a conditioned environment, whose goal is to keep the room temperature constant. It was conducted a thermal balance of the environment, taking into account the heat fluxes and the internal heat sources. After the calculation of the heat balance of the environment it was used the obtained rate of heat transfer on each surface and air velocity measurements as boundary conditions for the simulations of air movement and the heat transfer inside the enclosure. With these simulations, we sought to validate the methodology, comparing the results with measurements taken within the environment studied, as well as through an qualitative analysis of the flow field. The software used to perform the simulations was the commercial package ANSYS-CFX using the finite volume method. Key words: Heat flow, heat balance, heat transfer, air conditioning, finite volume, ANSYS-CFX.

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Condições de contorno da equação da difusão de calor na superfície (x = 0) [3].. 17 Figura 2 Fatores que afetam as trocas térmicas [1] Figura 3 Etapas necessárias para a simulação no CFX [Autor] Figura 4 Detalhes da sala analisada [Autor] Figura 5 Controle da temperatura [Autor] Figura 6 Vista em 3D da sala analisada [Autor] Figura 7 Vista da sala com as paredes laterais rebatidas [Autor] Figura 8 Janela com infiltração de ar [Autor] Figura 9 Fontes de calor analisadas [Autor] Figura 10 Figura geométrica representando o ambiente analisado [Autor] Figura 11 Figura geométrica representando o ar contido na sala [Autor] Figura 12 Geometria representando o ar contido na sala [Autor] Figura 13 Resultado da malha gerada para realização do cálculo [Autor] Figura 14 Condições de contorno de entrada e saída do ar. A) Entrada. B) Saída [Autor] Figura 15 Fluxo de calor gerado pelo computador [Autor] Figura 16 Fluxo de calor gerado pela pessoa [Autor] Figura 17 Identificação do ponto de monitoramento da temperatura [Autor] Figura 18 Gráfico de convergência dos cálculos da simulação [Autor] Figura 19 Gráfico de convergência do ponto de controle da temperatura [Autor] Figura 20 Linhas de corrente coloridas por temperatura [Autor] Figura 21 Direção do ar frio que entra na sala [Autor] Figura 22 Troca térmica por convecção para o computador [Autor] Figura 23 Temperatura do ar em contato com as paredes [Autor]

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Temperatura interna e externa das paredes [Autor] Tabela 2 Informações sobre a sala analisada [Autor] Tabela 3 Coeficiente global de transferência de calor [Autor] Tabela 4 Calor transferido através das paredes devido à diferença de temperatura [Autor]. 31 Tabela 5 Infiltração de ar nas aberturas [Autor] Tabela 6 Variação da entalpia conforme a variação da temperatura [Autor] Tabela 7 Calor gerado pela infiltração e renovação de ar [Autor] Tabela 8 Acréscimo de calor no sistema [Autor] Tabela 9 Condições de fluxo de calor prescrito [Autor] Tabela 10 Resultado dos cálculos realizados numericamente [Autor]... 47

8 LISTA DE SIGLAS CT - Calor transferido (W). - Massa de ar infiltrada no ambiente (kg/s) H - Entalpia (kj/kg) u - Energia interna (W) P - Pressão (Mpa) V - Volume (m³) Fµ- Fator de utilização ou fração das lâmpadas utilizadas F - Fator do reator das lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria dos casos [1] FCR - Fator de carga térmica de refrigeração A - Área superficial (m²) t - Diferença de temperatura externa e interna ( C) U - Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K). R * T - Resistência total transferência de calor. q - Fluxo de energia (W) t - Diferença de temperatura (K) L - Comprimento (m) k - Condutividade térmica (W/m.K) σ - Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K 4 ) Fϵ - Fator das características ópticas F A - Fator de forma q - Fluxo de energia (W) t - Diferença de temperatura (K) L - Comprimento (m) k - Condutividade térmica (W/m.K) t BS - Temperatura de bulbo seco t BU - Temperatura de bulbo úmido h c - Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²K) h r - Coeficiente de transferência de calor por radiação (W/m²K)

9 LISTA DE ABREVIATURAS CFD - Computational Fluid Dynamics (Dinâmica dos fluídos computacionais) RS Rio Grande do Sul NBR Norma brasileira regulamentadora ABNT Associação brasileira de normas técnicas

10 SUMÁRIO INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA Temperatura Entalpia Transferência de calor Resistência térmica Condições de contorno REFRIGERAÇÃO E AR-CONDICIONADO Estimativas das trocas térmicas Condições de projeto Transmissão térmica Geração de calor interno Cargas de ventilação e de infiltração CONCEITOS DE CFD METODOLOGIA UTILIZADA INTRODUÇÃO CÁLCULO DOS FLUXOS TÉRMICOS DEFINIÇÃO DO AMBIENTE ESTUDO DAS CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE DEFINIÇÃO DO AMBIENTE FLUXO DE CALOR ATRAVÉS DAS PAREDES CALOR GERADO PELA INFILTRAÇÃO E RENOVAÇÃO DE AR CALOR GERADO INTERNAMENTE GERAÇÃO TOTAL DE CALOR SIMULAÇÃO DOS EFEITOS GERADOS NO AMBIENTE REPRESENTAÇÃO DA SALA... 36

11 4.2 IMPORTAÇÃO DA GEOMETRIA GERAÇÃO DE MALHA CONDIÇÕES DE CONTORNO E CONFIGURAÇÕES DO CÁLCULO (SETUP) CÁLCULO ANÁLISE DOS RESULTADOS CONSIDERAÇÕES FINAIS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ANEXO I... 51

12 INTRODUÇÃO A crescente utilização de sistemas de ar condicionado para a refrigeração de ambientes visando manter padrões mínimos de conforto para os usuários tem gerado um acréscimo significativo do consumo de energia elétrica. Esse aumento pode causar sobre carga nos sistemas de geração de energia e por consequência falhas no abastecimento. Em virtude disso, é muito importante dimensionar de forma correta o sistema de refrigeração ou ar-condicionado para evitar o desperdício de energia. Este trabalho apresenta a análise de um ambiente refrigerado e tem como objetivo demonstrar os principais fatores que influenciam na elaboração de um projeto de sistema de ar-condicionado. Além disso, será simulado o campo de escoamento gerado pela movimentação do ar dentro do ambiente, levando em consideração o fluxo de calor calculado.

13 13 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1.1 Transferência de calor e termodinâmica O condicionamento de um ambiente, e consequentemente o resfriamento dos corpos nele contidos, bem como o ambiente em si, exige a remoção de calor dele e dos corpos que estão em seu interior. O calor é uma forma de energia e não pode ser destruída. Por isso, quando um corpo é resfriado, estamos transferindo calor de um corpo a outro. Para trabalhar nesta área são necessários bons conhecimentos de transferência de calor e termodinâmica, por isso, é necessária uma revisão dos principais conceitos Temperatura A temperatura é uma propriedade termodinâmica. É ela que indica o estado térmico de uma substância. As principais escalas para a medição de temperatura são Celsius e Kelvin. A escala Celsius tem como referência o ponto de solidificação e de ebulição da água no nível do mar, sendo 0 C e 100 C respectivamente, a 1 atmosfera de pressão. A escala Kelvin também conhecida como temperatura absoluta tem como referência o zero absoluto. Este valor convertido para Celsius é de -273,15 C. Existem duas formas de medir a temperatura: - Temperatura de bulbo seco (t BS ): É a temperatura indicada por um termômetro comum, não exposto a radiação. É a verdadeira temperatura do ar [8]. - Temperatura de bulbo úmido (t BU ): É a temperatura indicada por um termômetro cujo bulbo foi previamente envolto por algodão úmido, tão logo seja atingido o equilíbrio térmico [8] Entalpia A entalpia é uma grandeza física definida no âmbito da termodinâmica. É encontrada quando a transferência de calor durante um determinado processo pode ser definida como a variação energia interna somada a pressão vezes o volume entre os estados inicial e final. Neste caso todos os elementos são propriedades termodinâmicas em função apenas do estado do sistema. Sendo assim, a combinação destes elementos sempre será igual para as mesmas condições. A equação 1 descreve a entalpia [9].

14 14 = + (1) Onde: H = Entalpia (kj) U = Energia interna (kj) P = Pressão (Pa) V = Volume (m³) Transferência de calor A transferência de calor é um fenômeno que ocorre quando uma substância com uma temperatura mais elevada transfere calor para uma substância com uma temperatura inferior. A transferência de calor sempre ocorre da maior temperatura para a menor. A transferência de calor pode ocorrer por condução, convecção ou radiação, sendo que os três processos dependem da temperatura e dos objetos envolvidos Condução O calor é transferido de uma molécula para a outra em um sólido. O calor transferido é proporcional à área da superfície e inversamente proporcional ao comprimento. Fourier descreve a equação de condução como uma relação entre a condutividade térmica, a área da superfície e a diferença de temperatura, ambas divididas pelo comprimento [1]. Conforme mostrado na equação 2. A condutividade térmica é a principal característica que influência a condução do calor. Está diretamente ligada a estrutura molecular dos sólidos, sendo que quanto mais compacta e alinhada é a estrutura molecular maior será a capacidade de conduzir calor. = (2) Onde: q = Calor transferido (W) t = Diferença de temperatura (K) L = Comprimento (m) k = Condutividade térmica (W/m.K)

15 15 A = Área da superfície (m²) Radiação A transferência de calor por radiação se dá como resultado do deslocamento de fótons de uma superfície para a outra. Quando estes fótons atingem uma superfície podem ser absorvidos, refletidos ou transmitidos [1]. A energia irradiada por uma superfície é definida como poder emissivo da superfície, sendo que é proporcional a quarta potência da temperatura absoluta. A radiação irradiada por uma superfície é definida em termos do seu poder emissivo, sendo influênciada principalmente pelo posicionamento geométrico das superfícies e as características ópticas como emissividade, absortância, transmissividade e refletividade. A forma geral do cálculo da transferência de calor por radiação é dada pela equação 3. =σ F (T T ) (3) Onde: σ = Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K 4 ) Fϵ = Fator das características ópticas F A = Fator de forma T 1 = Temperatura da superfície (K) T 2 = Temperatura da vizinhança (K) A temperatura T 1 é da superfície do corpo que está exposto à radiação. A temperatura T 2 é do ambiente em torno do corpo que está sendo analisado Convecção A transferência por convecção depende de um fluído em contato com a superfície de um sólido e da velocidade do fluído. O coeficiente de transferência de calor por convecção depende da velocidade do fluído e das propriedades geométricas da superfície. O cálculo pode ser realizado utilizando a equação 4.

16 16 = h Δt (4) Onde: q = Calor transferido (W) t = Diferença de temperatura (K) h c = Condutividade térmica (W/m².K) Resistência térmica A resistência térmica de um corpo é a resistência que o mesmo oferece a transferência de calor por condução, convecção e radiação. As equações para o cálculo de condução e convecção são lineares em termos de condutância, área e diferença de temperatura, porém, a radiação não é linear na temperatura. Assim pode-se considerar para efeitos de cálculo uma linearização da equação da transferência de calor por radiação, considerando que as variações das temperaturas absolutas não são significativas. h = ( ) (5) Neste caso h r representa uma função linear da temperatura e pode-se montar uma equação linearizada para a transferência de calor por radiação. = h Δt (6) Assim a taxa de transferência total é dada pela equação 7. çã = h çã h çã (7) Fazendo uma analogia com a lei de Ohm onde a corrente é dada pela diferença de potência dividida pela resistência podemos equacionar a resistência térmica.

17 17 = (8) Onde: * R T = Resistência total transferência de calor Condições de contorno A determinação da distribuição da temperatura em um meio depende das condições físicas existentes nas fronteiras do meio, da variação da situação no tempo e das condições existentes no meio em algum instante inicial. Como a equação do calor é de segunda ordem em relação às coordenadas espaciais, duas condições de contorno devem ser fornecidas para cada coordenada espacial necessária para descrever o sistema. Como a equação é de primeira ordem em relação ao tempo, apenas a condição inicial deve ser observada. A figura 1 apresenta os três tipos de condições de contorno normalmente encontrados. Estas condições são especificadas na superfície x = 0, para um sistema unidimensional [3]. Figura 1 Condições de contorno da equação da difusão de calor na superfície (x = 0) [3]. Na primeira condição a superfície é mantida com um valor fixo. É comumente chamada de condição de contorno de primeira espécie. Na segunda condição ocorre um fluxo térmico fixo ou constante na superfície. É conhecida como uma condição de contorno de segunda espécie. Um caso específico desta condição é quando a superfície é perfeitamente

18 18 isolada, ou adiabática. A condição de contorno de terceira espécie corresponde a um aquecimento ou resfriamento por convecção na superfície. 1.2 Refrigeração e ar-condicionado Um projeto de ventilação, refrigeração ou condicionamento tem o objetivo de manter as condições internas de um ambiente sob controle, visando atender as condições necessárias para operação ou para manter as características de conforto para quem utiliza o ambiente. Um projeto bem dimensionado consegue atender estes requisitos aliado a um baixo consumo de energia. Para executar um trabalho de refrigeração de um ambiente é importante realizar os seguintes estudos: Avaliação das normas de refrigeração e ar condicionado para definir os valores de projeto para ventilação e temperatura que atendam os critérios de conforto térmico. Cálculo do fluxo térmico que afeta o ambiente. Definição das condições iniciais de projeto baseadas no clima da região onde o estudo está sendo realizado, aspectos geométricos, orientação e na necessidade de refrigeração do ambiente. Os principais conceitos para realizar estes estudos serão revisados a seguir Estimativas das trocas térmicas A transferência de calor através das paredes de um ambiente depende do material, do formato e da orientação das paredes e de fatores climáticos. Para realizar um projeto confiável, cada uma dessas variáveis deve ser calculada para se chegar a um sistema de refrigeração eficiente, que possa compensar a variação de temperatura que ocorre internamente. O método para o cálculo baseia-se na definição sistemática dos quatro fatores que afetam as trocas térmicas [1]. Transmissão: Transferência de calor devido à diferença de temperatura por meio do componente ou elemento do edifício. Solar: Transferência de energia solar através de um componente do edifício que seja transparente, ou absorção dessa energia por um componente opaco. Infiltração: Perda ou ganho de calor pela infiltração de ar externo no recinto condicionado.

19 19 Geração interna: Resultante da liberação de energia no interior do recinto (luzes, pessoas, equipamentos, etc.). A figura 2 apresenta de forma esquemática os fatores que afetam as trocas térmicas em um ambiente. Figura 2 Fatores que afetam as trocas térmicas [1] Condições de projeto Condições de projeto especificadas para cálculos. Para aquecimento normalmente é considerada uma temperatura interna entre 20 a 22 C, enquanto que para resfriamento é considerado uma temperatura que varia entre 24 e 26 C. Outro parâmetro importante é a unidade relativa do ar, que deve ter um mínimo de 30% no inverno e um máximo de 60% no verão [1]. Para o cálculo de refrigeração, as condições de projeto especificadas são a temperatura de bulbo seco, a umidade relativa do ar e a intensidade máxima de radiação solar. Esta última é relativamente difícil de especificar com precisão, pois depende da posição geográfica, da orientação e tem valores que variam no tempo Transmissão térmica O cálculo geral para a taxa de transferência de calor através de uma parede pode ser obtida pela equação abaixo = U Δt (9)

20 20 Onde: U = Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K). A = Área superficial (m²) t = Diferença de temperatura externa e interna ( C) O valor do coeficiente global de transferência de calor depende das resistências térmicas dos materiais. Os valores de resistência para 1 m² para algumas dos principais materiais utilizados em construções são tabelados [1]. O valor do coeficiente global de transferência de calor é dado pela equação 10. = (10) Geração de calor interno A geração de calor dentro do ambiente pode ser bastante significativa no dimensionamento do sistema de refrigeração ou ar-condicionado. Podem ser consideradas como principais fontes de geração de calor a iluminação, as pessoas que frequentam o ambiente e os equipamentos utilizados. Para o caso da iluminação, o calor gerado depende da potência, do tipo de conexão elétrica utilizada e do fator de utilização das lâmpadas. A energia resultante das lâmpadas na forma de radiação é inicialmente absorvida pelas paredes, piso e mobília do ambiente, fazendo com que ocorra um aumento da temperatura superficial. Assim o calor trocado com o ambiente por convecção também aumenta passando a constituir uma fonte de calor para o sistema de ar condicionado. Em virtude da massa dos componentes que absorvem a radiação ocorre um retardamento entre o instante em que as luzes são acesas e o momento em que isso se torna uma carga para o sistema. O mesmo ocorre após apagar as luzes, o fluxo de calor continua por algum tempo. O cálculo estimado do calor gerado relaciona os fatores mencionados acima. =( )( ) ( ) ( ) (11) Onde: Potência nominal = Potência das lâmpadas [W]

21 21 Fµ= Fator de utilização ou fração das lâmpadas utilizadas [ - ] Fr= Fator do reator das lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria dos casos [1] FCR = Fator de carga térmica de refrigeração [ - ] Para outros equipamentos que dissipem energia é necessário estimar a potência e o fator de utilização. Para equipamentos que dissipem pouca energia o FCR deve ser considerado como 1,0. A carga térmica gerada pelos ocupantes do ambiente é dividida em duas partes e ambas relacionadas ao número de pessoas e a atividade exercida. A carga térmica sensível recebida por ocupante é dada pela equação 12, onde o FCR é tabelado e considera o tempo de permanência no ambiente [1]. Para o cálculo da carga térmica latente o FCR é considerado como 1 [1]. =( ) (número de pessoas) ( ) (12) Cargas de ventilação e de infiltração A infiltração é definida como a penetração não controlada de ar externo no ambiente, sendo resultante de forças naturais como o vento e o empuxo gerado pela diferença de temperaturas. A NBR 6401 apresenta uma tabela com os valores médios de infiltração de ar para portas e janelas. A ventilação ou renovação de ar é outra interferência a ser considerada nos cálculos. Os valores de renovação de ar são normatizados e são definidos principalmente em função da atividade exercida no ambiente e do número de pessoas. Outro fator determinante é se existem pessoas fumantes no ambiente. Para calcular a carga térmica gerada pelo ar de infiltração ou de renovação pode ser utilizada a equação13. =.(h h ) (13) Onde: CT inf = Carga térmica gerada pela infiltração de ar (W). = Massa de ar infiltrada no ambiente (kg/s)

22 22 h = Entalpia (kj/kg) 1.3 Conceitos de CFD. O CFD (Computational Fluid Dynamics), ou dinâmica dos fluídos computacional é uma ferramenta que utiliza o computador para simular o comportamento de sistemas que envolvem escoamento de fluídos. Funciona a partir da resolução das equações do fluxo do fluído e da equação do calor sobre uma região definida. As equações utilizadas para analisar o escoamento de um fluído são conhecidas como equações de Navier-Stokes, que embora tenham solução analítica conhecida, podem ser discretizadas e resolvidas numericamente. A forma geral dessas equações é apresentada como: (14) Para análise da transferência de calor a equação utilizada é conhecida como equação do calor. Essa equação é a ferramenta básica para análise da condução do calor. A partir da sua solução podemos obter a distribuição das temperaturas nos três eixos (x, y, z) = (15) Existem vários métodos numéricos de resolução para estas equações, sendo que o utilizado pelo software ANSYS-CFX é o de volumes finitos. Neste caso, o sistema é dividido em pequenos volumes onde as equações são aplicadas. Dessa forma é possível chegar a um resultado por aproximação em geometrias complexas que não poderiam ser resolvidas analiticamente. No método dos volumes finitos a conservação de massa é garantida pela convergência do cálculo. Pelo principio da conservação da massa, a massa dentro de um volume de controle é constante.

23 23 =0 (16) Onde: M = Massa do sistema (kg). t = Tempo (s) A equação da conservação da massa para o volume de controle é dada pela equação 17. 0= + (17) O primeiro termo após o sinal de igualdade representa a taxa de variação de massa dentro do volume de controle. O segundo termo representa a taxa de fluxo de massa ou vazão em massa através da superfície de controle. A conservação de massa exige que a soma da taxa de variação de massa dentro do volume de controle com a taxa liquida de fluxo de massa através da superfície de controle seja nula [4]. Estas equações são utilizadas pelo ANSYS CFX para análise de sistemas que envolvam movimentação de fluídos. Para executar uma simulação utilizando o CFX é necessário executar cinco etapas conforme mostrada na figura 3: Figura 3 Etapas necessárias para a simulação no CFX [Autor]. Geometria (geometry): Nesta etapa a geometria do sistema a ser analisado deve ser gerada. Para isso o CFX tem uma plataforma para desenho em 3D. Outra

24 24 forma de gerar a geometria do sistema é fazer o desenho em outro programa como, por exemplo, o SOLID EDGE ou SOLID WORKS. Malha (mesh): Nesta etapa o sistema é discretizado em volumes formando assim uma malha. Cada um destes volumes será calculado pelo programa com base em informações dos volumes adjacentes, ou de condições de contorno prescritas. Para obter resultados mais precisos é necessário gerar uma malha mais refinada. Podese também, gerar uma malha refinada somente nos pontos do sistema em estudo onde se deseja uma maior precisão nos resultados. Preparação (setup): Nesta etapa as condições de contorno, propriedades dos materiais e substâncias, e todas as informações relativas à execução são informadas no sistema para que o programa possa realizar os cálculos. Solução (solution): É o módulo de execução e controle da simulação com as condições programadas na etapa anterior. O CFX vai realizando os cálculos e pode gerar gráficos que mostram o resíduo (erro relativo) de cada iteração, monitoramento de variáveis, e até mesmo alterar alguns parâmetros durante a execução dos cálculos. Resultados (results): O CFX apresenta o resultado dos cálculos. É necessária a realização de uma configuração para se apresentar os resultados específicos de determinada variável em cada região de interesse no sistema estudado. É possível apresentar os resultados específicos para variáveis tais como, velocidade, temperatura e pressão.

25 25 2. METODOLOGIA UTILIZADA. 2.1 Introdução A metodologia empregada neste trabalho apresenta técnicas de cálculo analítico para definição dos fluxos de calor, a utilização dos softwares SOLID EDGE e SOLID WORKS para representação em 3D do ambiente estudado e utilização do módulo CFX que roda na plataforma do software ANSYS para simular o escoamento gerado pela movimentação do ar dentro do ambiente, levando em consideração os fluxos de calor calculados. O trabalho foi dividido em etapas progressivas, as quais são descritas abaixo. Definição do ambiente e estudo das características. Cálculo analítico dos fluxos de calor do ambiente conforme orientação da NBR Comparativo dos resultados com o ambiente real. Desenho em 3D com o auxilio dos programas SOLID EDGE e SOLID WORKS do ambiente estudado Simulação das reações geradas no ambiente com o auxilio do software ANSYS CFX. Análise dos resultados das simulações.

26 26 3. CÁLCULO DOS FLUXOS TÉRMICOS 3.1 Definição do ambiente Para a realização do trabalho foi escolhida uma sala de aferição de instrumentos de medição a qual necessita de uma temperatura interna constante de 20 C. Esta sala está localizada na empresa Kepler Weber, situada no município de Panambi RS. A sala contem uma bancada com dispositivo computadorizado para aferição de trenas (A), uma mesa onde está instalado um medidor de dureza (B), uma bancada utilizada para medição de peças (C), uma base plana de mármore (D) e um armário para armazenamento de instrumentos de medição (E). Na sala trabalha somente um técnico de metrologia. A sala pode ser visualizada na figura 4. Figura 4 Detalhes da sala analisada [Autor]. O ambiente possui um sistema de refrigeração controlado por sensores que mantém a temperatura com uma tolerância de 1 C. A figura 5 apresenta um mostrador indicando a temperatura da sala.

27 27 Figura 5 Controle da temperatura [Autor]. Este ambiente foi selecionado por apresentar as principais variáveis utilizadas nos cálculos de fluxo térmico. Outro ponto relevante na escolha foi à relativa simplicidade do ambiente o que facilita a simulação dos dados calculados, e também devido a este já possuir um sistema instalado e dimensionado para uma situação que requer uma temperatura exata, por isto podendo ser um parâmetro de comparação para a metodologia de cálculos empregada. 3.2 Estudo das características do ambiente O ambiente apresenta uma parede com duas janelas duplas, orientado para o leste e exposto a área externa do prédio. Esta parede foi nomeada como P1. Nesta parede encontramse a entrada do ar condicionado e a saída de ar. As paredes, P2, P3 e P4 estão expostas a um ambiente interno refrigerado com temperatura constante em torno de 22 C. A parede P2 possui uma janela com vidro simples e uma porta de madeira. As demais paredes não foram analisadas. A figura 6 apresenta o ambiente estudado.

28 28 Figura 6 Vista em 3D da sala analisada [Autor]. A tabela 1 apresenta os valores de temperatura interna e externa para as paredes indicadas na figura. Tabela 1 Temperatura interna e externa das paredes [Autor]. Parede Temperatura Temperatura interna externa Observações Parede P1 Controlada em 20 C Calculada em 34 C Fronteira com ambiente externo Parede P2 Controlada em 20 C Controlada em 22 C Fronteira com sala refrigerada Parede P3 Controlada em 20 C Controlada em 22 C Fronteira com sala refrigerada Parede P4 Controlada em 20 C Controlada em 22 C Fronteira com sala refrigerada A temperatura externa da parede 01 foi considerada a temperatura de bulbo seco para a cidade de Porto Alegre RS [2].

29 29 Ambas as paredes são fabricadas de tijolo comum com aproximadamente 150 mm de espessura. Para a cobertura também foi considerado como sendo de tijolo comum com 150 mm de espessura. Este ambiente está localizado na cidade de Panambi, situada na região noroeste do estado do Rio Grande do Sul. 3.3 Definição do ambiente Para a realização do cálculo do fluxo térmico o ambiente foi dividido em partes. Cada uma das partes foi identificada conforme mostrado na figura 7. Figura 7 Vista da sala com as paredes laterais rebatidas [Autor]. sala. A tabela 2 apresenta as informações relevantes de cada uma das partes analisadas da

30 30 Tabela 2 Informações sobre a sala analisada [Autor]. Sigla Descrição Dimensões (em metros) Espessura Área Observações A1 Área da parede P1. 6 x 3 0,15 m 18 m² Parede de tijolo comum. Área das janelas Vidros duplos com 13 mm de A2 localizadas na parede P1. 2,73 x 1, ,01 m² espaçamento e 6 mm de espessura. A3 Área ocupada pela entrada e saída do ar condicionado. 2,4 x 0, ,48 m² Não considerado nos cálculos como área com geração de fluxo térmico. A4 Área da parede p2. 4 x 3 0,15 m 12 m² Parede de tijolo comum. A5 Área da janela localizada na 1,6 x 1, ,6 m² Janela com vidro simples com 6 mm de espessura. parede P2. A6 Área da porta 2,1 x 1, ,52 m² Porta de madeira dura. localizada na parede P2. A7 Área da parede P3. 6 x 3 0,15 m 18 m² Parede de tijolo comum. A8 Área da parede P4. 4 x 3 0,15 m 12 m² Parede de tijolo comum. A9 Área da laje. 6 x 3 0,15 m 24 m² Considerado como parede de tijolo comum. A10 Área do piso. 6 x 3 0,20 m 24 m² Piso com revestimento cerâmico. 3.4 Fluxo de calor através das paredes Para as paredes, janelas e a porta foram calculadas a transferência de calor gerada pela diferença de temperatura. Os coeficientes globais de transferência de calor para as situações apresentadas foram calculados com base na tabela de resistência térmica apresentada no capítulo 4 da referência 1. A tabela 3 apresenta os valores calculados.

31 31 Tabela 3 Coeficiente global de transferência de calor [Autor]. Material Coeficiente global de Resistência Espessura da transferência de calor térmica (m.k/w) parede (m) (W/m².K) Tijolo comum 0,76 0,15 U T = 8,77 Madeira dura U M = 6,31 Vidro simples U Vs = 5,90 Vidros duplos com 13mm de espaçamentos e 6mm de espessura U Vd = 3,20 A equação 9 foi utilizada para calcular a fluxo térmico resultante da diferença de temperatura nas paredes, janelas e porta. A tabela 4 apresenta os cálculos. Tabela 4 Calor transferido através das paredes devido à diferença de temperatura [Autor]. Sigla Formula Resultado CT A1 CT = ( A )(Te Ti) 1783 W CT A2 CT = ( )(Te Ti) 135 W CT A4 CT = ( A )(Te Ti) 138 W CT A5 CT = ( )(Te Ti) 19 W CT A6 CT = ( )(Te Ti) 1 W CT A7 CT = ( )(Te Ti) 316 W CT A8 CT = ( )(Te Ti) 211 W CT A9 CT = ( )(Te Ti) 3327 W TOTAL 5930 W 3.5 Calor gerado pela infiltração e renovação de ar Os valores de infiltração média de ar utilizados nos cálculos foram retirados da norma brasileira para projeto e instalação de sistemas de ar condicionado NBR6401. O ar de infiltração é calculado com base no tamanho da fresta de entrada de ar. O tamanho da fresta para a porta foi considerado como o perímetro da porta. A janela localizada na parede P2 e a janela pequena localizada na parede P1 não foram consideradas porque são

32 32 fixas e bem vedadas. Na janela maior localizada na parede P1 foram considerados como fresta para a entrada de ar os pontos destacados na figura 8. Figura 8 Janela com infiltração de ar [Autor]. O valor recomendado para o ar de renovação é de 27 m³/h conforme portaria do ministério da saúde publicada em 1998 (Portaria 3523) [10]. A tabela 5 apresenta a infiltração de ar na sala. Tabela 5 Infiltração de ar nas aberturas [Autor]. Tipo de abertura Janela comum Porta bem ajustada Infiltração média por metro de fresta Tamanho da fresta Infiltração de ar 3 m³/h 3,3 m 2,75 l/s 6,5 m³/h 6,6 m 11,92 l/s Para o cálculo do calor gerado pela infiltração de ar, utiliza-se a equação 13. A tabela 6 apresenta os valores de entalpia e volume específico e o cálculo da densidade do ar em quilogramas por litro.

33 33 Tabela 6 Variação da entalpia conforme a variação da temperatura [Autor]. Temperatura Entalpia (kj/kg) Volume específico (m³/kg) Densidade (kg/l) 20 C 57,544 0,8498 0, C 64,646 0,8583 0, C 122,968 0,9182 0, Assim, o cálculo do calor gerado é uma relação entre a densidade e o volume de ar infiltrado multiplicado pela diferença de entalpia conforme mostrado na tabela 7. Tabela 7 Calor gerado pela infiltração e renovação de ar [Autor]. Sigla Formula Resultado CT Ji CT = (h h ) 196 W CT Pi CT = (h h ) 99 W CT R CT = (h h ) 534 W TOTAL 829 W 3.6 Calor gerado internamente O calor gerado no interior do ambiente pode ser proveniente da iluminação, dos equipamentos que dissipem energia ou de pessoas. No ambiente considerado para os cálculos temos as três fontes gerando calor. Para o cálculo do calor gerado pela iluminação e pelos equipamentos foi utilizada a equação 11. A sala possui 24 luminárias com potência de 60 W. Como as lâmpadas ficam ligadas 24 horas por dia o fator de utilização é um. As lâmpadas são instaladas embutidas na parede e não tem ventilação, por isso o fator de carga térmica de refrigeração (FCR) para a situação é de 0,85 [1]. O fator do reator das lâmpadas foi considerado como 1,2 [1]. O calor total gerado pela iluminação segue: =( )( ) ( ) ( )=(24 x 60)(1)(1,2)(0,85)= 1467 W Para o cálculo calor gerado pela potência de 240 W dissipada do computador, foi considerado como fator de utilização 0,5. O fator do reator e o fator de carga térmica de refrigeração foram considerados como 1.

34 34 =( )( ) ( ) ( )=(240)(0,5)(1)(1)= 120 W A geração de calor das pessoas que utilizam o ambiente é dividida em duas partes, geração de calor latente e sensível. Para o cálculo, o calor liberado por pessoa em trabalho em escritório é de 150 W[1]. O fator de carga térmica máximo para calor sensível, considerando 10 horas no ambiente de trabalho é de 0,89[1]. O fator de carga térmica para calor latente é 1,0 [1]. O calor total gerado é dado pela equação 12. Geração de calor sensível: =( )(número de pessoas)( )= 150 x 1 x 0,89=133,5 W Geração de calor latente: =( )(número de pessoas)( )= 150 x 1 x 1=150 W 3.7 Geração total de calor A geração total de calor para o ambiente é o somatório de todas os valores parciais. A tabela 8 apresenta este somatório. Tabela 8 Acréscimo de calor no sistema [Autor]. Descrição Resultado Geração de calor por condução das paredes 5930 W Geração de calor pela infiltração e renovação de ar 829 W Calor gerado pela iluminação 1467 W Calor gerado pelos equipamentos elétricos 120 W Calor gerado pelas pessoas 283,5 W TOTAL 8629,5 W A figura 9 apresenta em forma de gráfico o calor gerado por diferentes fontes que tem influência no ambiente.

35 35 Figura 9 Fontes de calor analisadas [Autor]. Pode-se perceber que o calor gerado pela condução das paredes é mais significativo com aproximadamente 69% do total. O calor gerado pela iluminação vem logo na sequência com aproximadamente 17% do total. Para o caso analisado, a infiltração de ar e o ar de renovação apresentam uma um ganho térmico no sistema de aproximadamente 10% do calor total. Para os equipamentos e as pessoas, o valor ficou bem baixo devido ao pequeno número presente no ambiente.

36 36 4. SIMULAÇÃO DOS EFEITOS GERADOS NO AMBIENTE. 4.1 Representação da sala A simulação dos efeitos gerados pela transferência de calor e pela movimentação do ar dentro do ambiente foi realizada com o auxilio do software CFX que roda em cima da plataforma do ANSYS. Para esta simulação foi necessário reproduzir a sala com as paredes, aberturas e moveis, conforme pode ser visualizado na figura 10. Figura 10 Figura geométrica representando o ambiente analisado [Autor]. Após, foi gerada uma nova geometria representando o ar contido dentro da sala. Conforme pode ser visto na figura 11.

37 37 Figura 11 Figura geométrica representando o ar contido na sala [Autor]. A partir desta geometria foram simuladas a movimentação do ar e as trocas térmicas ocorridas dentro do ambiente. 4.2 Importação da geometria Foi importado para o módulo de desenho do CFX a figura geométrica que representa o ar contido na sala. Para isso, a representação do ar foi criada e salva como um arquivo de conversão no SOLID EDGE e importado diretamente para o CFX. Este procedimento foi utilizado devido à dificuldade de gerar desenhos complexos no módulo de desenho do ANSYS. A figura 12 mostra a conclusão da importação da geometria. Figura 12 Geometria representando o ar contido na sala [Autor].