Refrigeração e Ar Condicionado

Transcrição

1 Refrigeração e Ar Condicionado Carga Térmica de Refrigeração Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/32

2 Introdução 2/32

3 Introdução A carga térmica de refrigeração ou potência frigorífica é o calor, por unidade de tempo, que deve ser extraído do ambiente refrigerado para manter neste local a temperatura desejada; A carga térmica depende, em geral, de muitos fatores, que podem ser divididos em: Carga de transmissão; Carga de produtos; Carga interna; Carga por ar infliltrado; Carga de equipamentos. A metodologia de cálculo da carga térmica para sistemas de refrigeração e sistemas de condicinamento de ar diferem. 2/32

4 Introdução 3/32

5 Carga Térmica Por Transmissão 4/32

6 Carga Térmica Por Transmissão O ganho de calor sensível através de paredes, forro e piso varia com o tipo e espessura do isolamento, área externa da parede e diferença de temperatura entre espaço refrigerado e ar ambiente; A determinação da diferença entre as temperaturas externa e interna é função das condições do ar ambiente e do interior; A taxa de calor transmitida para o espaço refrigerado pode ser calculada como: Q t = UA(T e T i ) (1) Q t é a taxa de calor transmitida para o espaço refrigerado; A é a área da parede; Te é a temperatura do ar externo; Ti é a temperatura do ar interno. 4/32

7 Carga Térmica Por Transmissão O coeficiente global de transferência de calor U, pode ser calculado por: 1 U = 1 + x h i k + 1 (2) h o Onde U é o coeficiente global de transferência de calor; x a espessura da parede/isolamento; hi é o coeficiente de convecção na parede interna do espaço refrigerado; ho o coeficiente de convecção na parede externa do espaço refrigerado. Os coeficientes de transferência de calor por convecção, h i e h o podem ser estimados pela expressão: h = 1, , 66u (3) Onde u é a velocidade do ar em m/s; Para condições internas, costuma-se considerar a velocidade nula. 5/32

8 Carga Térmica Por Transmissão Para paredes espessas e de material de baixa condutividade, a resistência térmica dada por x/k é predominante; Dessa forma, tanto 1/h o quanto 1/h i tem pouco efeito no cálculo podendo ser omitidos; Como muitas vezes as paredes dos espaços refrigerados são construídas de várias camadas de diferentes materiais, pode-se escrever: 1 U = x 1 + x 2 + x (4) 3 k 1 k 2 k 3 6/32

9 Carga Térmica Por Transmissão 7/32

10 Efeito da Radiação Solar Sobre a Superfície Exposta do Espaço Refrigerado 8/32

11 Efeito da Radiação Solar Sobre a Superfície Exposta do Espaço Refrigerado Se as paredes da sala refrigerada estiverem expostas aos raios de sol, haverá necessidade de acrescentar uma carga térmica adicional; Para fins práticos, a temperatura pode ser ajustada para compensar os efeitos da insolação, através da adição de um fator de compensação ao valor da temperatura externa; Q t = UA(T e T i + T c ) (5) 8/32

12 Carga Pelo Produto 9/32

13 Carga Pelo Produto A carga térmica devido ao produto, que geralmente corresponde a maior porcentagem da carga térmica de câmaras de resfriamento e congelamento, é composta basicamente das seguintes parcelas: Calor sensível antes do congelamento - Esta parcela é devida ao calor que deve ser retirado 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 resfriado, a sua temperatura final; Calor latente de congelamento - É o calor retirado do produto para promover seu congelamento; Calor sensível após o congelamento - Esta parcela é devida ao calor que deve ser retirado do produto para reduzir sua temperatura desde a temperatura de congelamento até a temperatura final do produto; 9/32

14 Carga Pelo Produto Calor de respiração - Representa o calor liberado na câmara devido ao processo de respiração de frutas frescas e vegetais. A liberação deste calor de respiração, também conhecido como calor vital, varia com a temperatura. Assim quanto mais frio o produto, menor o calor liberado. Considerando todas as parcelas mencionadas, tem-se Q prod = G M [c p,1 (T ent T 1 ) + h cg + c p,2 (T 2 T 1 )]+ G T Q resp [kcal/dia] (6) Onde: GM é a movimentação diária de um determinado produto na câmara, em kg/dia; c p,1 é o calor específico do produto antes do congelamento, em kcal/kg C; Tent é a temperatura de entrada do produto na câmara, em C; 10/32

15 Carga Pelo Produto T1 para câmaras de resfriamento é a temperatura final do produto e, para câmaras de congelamento, é a própria temperatura de congelamento do produto, em C h cg é o calor latente de congelamento do produto, em kcal/kg; cp,2 é o calor específico do produto após o congelamento, em kcal/kg C; T2 é a temperatura final do produto congelado em C; GT é a quantidade total de produtos na câmara, em kg; Q resp é a quantidade de calor liberado pela respiração do produto, em kcal/kg dia. 11/32

16 Carga Térmica Devido à Infiltração de Ar Externo 12/32

17 Carga Térmica Devido à Infiltração de Ar Externo A carga térmica devido à infiltração de ar está relacionada com a entrada de ar quente (ar externo) e 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 resfriada pelo sistema frigorífico da câmara, aumentando a carga térmica; Assim, a quantidade de ar que entra em câmara pode ser estimada, a partir do Fator de Troca de Ar (FTA) de uma câmara, sendo este, por sua vez, dependente do volume e tipo da câmara; O FTA expressa o número de trocas de ar por dia (trocas/dia) da câmara; 12/32

18 Carga Térmica Devido à Infiltração de Ar Externo Uma vez que se conhece o volume de ar externo que entra na câmara por dia, pode-se então determinar a carga de infiltração pela equação abaixo: Onde: Q inf = V cam FTA H [kcal/dia] (7) V cam é o volume da câmara (m 3 ); H refere-se ao calor cedido por cada metro cúbico de ar que entra na câmara; 13/32

19 Carga Térmica Devido à Infiltração de Ar Externo 14/32

20 Carga Térmica Devido à Infiltração de Ar Externo 15/32

21 Carga por Iluminação 16/32

22 Carga por Iluminação Deve-se ao calor dissipado pelas fontes internas de iluminação e pode ser calculada por: Q i = W i A p Dto (8) Wi é a taxa de iluminação, em W /m 2 ; A p é a área do piso da câmara (m 2 ); Dto é fração de tempo (sobre um período de 24 horas) que a iluminação estiver acesa. Como regra, a taxa de iluminação utilizada em projetos de câmaras frigoríficas é de 10W /m 2. 16/32

23 Carga por Ocupação 17/32

24 Carga por Ocupação Decorrente da liberação de calor pelos ocupantes do espaço refrigerado devido ao metabolismo do corpo humano; É função da temperatura do local, tipo de trabalho realizado, tipo de roupa e tamanho da pessoa; Essa carga térmica pode ser estimada através da seguinte equação: Q o = N P Q eq Dto (9) Np é o número de ocupantes do espaço refrigerado; Qeq é o calor equivalente dos ocupantes, em W /pessoa; Dto é fração de tempo (sobre um período de 24 horas) de ocupação; 17/32

25 Carga por Ocupação O calor equivalente pode ser calculado através de: Q eq = T i (10) T i é a temperatura do espaço refrigerado, em C. 18/32

26 Carga Devido a Motores Elétricos 19/32

27 Carga Devido a Motores Elétricos O calor dissipado por motores elétricos pode ser obtido a partir da sua potência e do seu rendimento; Na ausência de dados específicos, podem ser utilizados os valores da seguinte tabela: 19/32

28 Carga Térmica Devido aos Motores dos Ventiladores 20/32

29 Carga Térmica Devido aos Motores dos Ventiladores Uma outra fonte de calor que está presente no interior das câmaras frigoríficas são os motores dos ventiladores dos evaporadores; No entanto, somente é possível determinar a potência dissipada por estes ventiladores após a seleção dos evaporadores; Os evaporadores, por sua vez, somente podem ser selecionados após o cálculo da carga térmica total da câmara, o que inclui o calor liberado pelos motores dos ventiladores; Em geral pode-se considerar um acréscimo de 10 a 15% sobre a carga térmica total. 20/32

30 Carga Térmica Devido aos Motores dos Ventiladores Quando o evaporador é selecionado e portanto se conhece os motores dos ventiladores, é preciso recalcular a carga térmica dos ventiladores para verificar se a capacidade térmica resultante está de acordo. Q vent = Ẇvent τ632 [kcal/dia] (11) η vent Onde: Ẇ vent é a potência total dos ventiladores, em cv; τ é o tempo de funcionamento dos ventiladores, em h/dia; η vent é o rendimento dos ventiladores. 21/32

31 Fator de segurança 22/32

32 Fator de segurança Geralmente, um fator de segurança de 10% é aplicado à carga térmica calculada para levar em consideração possíveis discrepâncias entre o critério de projeto e a operação real. 22/32

33 Carga Térmica Total 23/32

34 Carga Térmica Total A carga térmica total é obtida somando-se todas as cargas parciais calculadas (em kcal/dia) acrescidas do fator de segurança; Esta carga calculada considera que o tempo de funcionamento da instalação frigorífica seja de 24 horas; Devido à necessidade de descongelamento do evaporador a intervalos frequentes, não é prático projetar o sistema de refrigeração de modo que o equipamento deva funcionar continuamente; Desta forma, o tempo de funcionamento do sistema vai ser função do tipo de descongelamento empregado; Quando for utilizado descongelamento natural, o tempo de funcionamento permitido é aproximadamente 16 horas em cada período de 24 horas; Para os sistemas que empregam uma fonte auxiliar de calor para realizar o descongelamento, o tempo de funcionamento máximo passa para 18 a 20 horas. 23/32

35 Carga Térmica Total 24/32

36 Carga Térmica Total Desta forma, a carga térmica total, em unidade de potência, é calculada por: ( ) 24h Q tot = Q T (12) Onde T é o tempo máximo de funcionamento permitido ao sistema de refrigeração, em horas. 25/32

37 Degelo 26/32

38 Degelo 26/32

39 Degelo 27/32

40 Degelo 28/32

41 Degelo 29/32

42 Degelo 30/32

43 Exemplos 31/32

44 Exemplos Exemplo 1 - Cálculo de carga térmica para uma câmara interna de conservação de produtos congelados. Dados Preliminares: Temperatura externa: 35 C; Temperatura interna: 18 C; Umidade relativa: 60%; Dimensões internas: larg. 3m; comp. 4m; alt. 2,5m; Material da câmara: painel pré-fabricado; Isolamento: painéis de EPS (isopor) 200mm; Produto: peixe já congelado; Movimentação Diária: kg/dia; Ocupação Total: kg; Presença de motor ou fonte de calor: sim (motor do evaporador); Temperatura de entrada do produto: 8 C; Número de pessoas: 2 permanecendo 3 horas/dia; Degelo: Elétrico. 31/32

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