LABORATÓRIO DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO. Profº Panesi

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1 LABORATÓRIO DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO Profº Panesi São Paulo 2017

2 Sumário AULA PRÁTICA Objetivo... 2 Estudar o efeito da refrigeração termoelétrica... 2 AULA PRÁTICA Objetivo... 8 Calcular a carga térmica de uma câmara frigorífica e dimensionar o evaporador ideal AULA PRÁTICA Objetivo Selecionar equipamentos de ar condicionado de pequeno porte AULA PRÁTICA Objetivo Trabalhar com cartas psicrométricas para selecionar equipamentos de grande porte AULA PRÁTICA Objetivo Trabalhar com simulação termoenergética em edifícios

3 AULA PRÁTICA 1 Objetivo Estudar o efeito da refrigeração termoelétrica INTRODUÇÃO A termoeletricidade estuda fenômenos de transformação direta de energia térmica (gradientes de temperatura) em eletricidade e vice versa. As pastilhas termoelétricas operam utilizando o efeito Peltier. Uma teoria que expõe que há um efeito aquecedor ou resfriador quando uma corrente elétrica passa por dois condutores. A tensão aplicada aos polos de dois materiais distintos cria uma diferença de temperatura. Este efeito ocorre porque uma junção destes materiais diferentes é dopada para atuar como um material do tipo P, tendo facilidade em receber elétrons. A outra junção atua como um material do tipo N, que tem facilidade em doar elétrons. Ao se aplicar uma corrente elétrica contínua no terminal de material tipo N, elétrons migram do material tipo P para o material tipo N. Em função disso, essas junções irão permitir o fluxo de calor. Assim, uma das superfícies esfria a medida que a outra aquece, sendo esse calor dissipado para o ambiente através de um sistema conveniente. Uma típica pastilha Peltier conterá uma série de elementos semicondutores do tipo P e tipo N, agrupados como pares, que agirão como condutores diferentes. Essa série de elementos é soldada entre duas placas cerâmicas, conforme mostra a figura abaixo. Materiais utilizados Pastilha Peltier: tamanho 40 x 40mm,; Dissipador em bloco de alumínio; Recipientes de plástico; Fonte 12V; 2

4 Sensor de temperatura a prova d água Ds18b2 com incerteza de ±0,5 C; Placa Arduino Uno; Termômetro analógico com incerteza de ±1,0 C Cronômetro; Multímetro. Procedimentos Por meio do conjunto montado conforme a figura o aluno deverá anotar os seguintes parâmetros: Volume de água no recipiente superior: Volume de água no recipiente inferior: Temperatura inicial da água: Temperatura ambiente: Potência da placa Peltier Em posse dos valores determinar: 1- O tempo necessário para que a temperatura da água no reservatório superior alcance 15 C Introduzir o sensor de temperatura no recipiente superior. Ligar a placa Peltier na rede elétrica. Iniciar a contagem de tempo e anotar a variação de temperatura no reservatório superior através da seguinte tabela: 3

5 Tempo (min) Temperatura ( C) 2- O tempo necessário para que a temperatura da água no reservatório inferior alcance 32 C Os mesmos procedimentos do item 1 introduzindo o termômetro analógico no recipiente inferior. Tempo (min) Temperatura ( C) 3- A quantidade de calor sensível em kj nos dois reservatórios 4

6 A quantidade de calor sensível é determinada por: Q = m cp T Onde: m = massa da substância em kg; cp = calor específico da substância a pressão constante (água = 4,19 kj/kg C); T = variação da temperatura em C. (mostrar os cálculos) 4- A potência de resfriamento e aquecimento encontrada nos dois casos; A potência para um processo é determinada por: P = Energia (kj) tempo (s) = kw (mostrar os cálculos) 5- A eficiência do sistema A eficiência ( ) para o caso em questão é: = potência térmica de resfriamento ou aquecimento potência elétrica de entrada (mostrar os cálculos) x100% 5

7 6- Os gráficos Temperatura x tempo. Questões para responder: a) Porque a potência de aquecimento é diferente da potência de resfriamento? b) Porque a eficiência para cada caso foi diferente? c) Porque o tempo de resfriamento e aquecimento foi diferente? 6

8 d) Como podemos melhorar a eficiência do sistema? e) Qual a principal diferença entre o sistema de refrigeração termoelétrica e o sistema de refrigeração por compressão de vapor? 7

9 AULA PRÁTICA 2 Objetivo Calcular a carga térmica de uma câmara frigorífica e dimensionar o evaporador ideal. INTRODUÇÃO O correto dimensionamento e seleção do equipamento de refrigeração ou ar condicionado são de importância fundamental no que se refere à eficiência energética. Se um equipamento for subdimensionado ou superdimensionado consumirá energia desnecessária contribuindo dessa forma com a escassez dos recursos energéticos da natureza. A informação nesse caso chave para o início do dimensionamento é o conhecimento da carga térmica a ser extraída do compartimento refrigerado, ou seja, descobriremos quanto de calor precisa ser retirado do ambiente ou em linguagem mais técnica a capacidade frigorífica do equipamento. Como exemplo considere a câmara frigorífica indicada na figura a seguir. Conhecendo-se qual o produto e sua quantidade em quilograma que vai ser colocado dentro dessa câmara para ser preservado, poderemos estimar qual a quantidade de calor a ser extraída de seu interior. Para isso precisamos saber as principais informações pertinentes a essa câmara. Materiais utilizados Software da empresa Mipal denominado Seletor. Procedimentos: Considere uma câmara frigorífica com as seguintes informações: 8

10 Câmara Características Produto Vegetais Temperatura externa (ºC) 35 Temperatura da câmara (ºC) 0,50 Umidade relativa (%) 93 Carga diária (T) 10 Temperatura de entrada do produto (ºC) 20 Tempo de resfriamento (h) 18 Tempo ligado (%) 75 Espessura da isolação (cm) 10 Condutividade da isolação (kcal/hmºc) 0,032 Isolante Cortiça Altura (m) 6,6 Largura (m) 20 Comprimento (m) 15 Determinar: 1. A carga térmica da câmara em kw, Kcal/h e Btu/h; 2. A carga térmica da câmara em kw após alterarmos a temperatura externa para 25 C; 3. A carga térmica da câmara em kw após alterar o isolante térmico para lã de vidro, poliestireno expandido (isopor) e espuma rígida de poliuretano; (0,045W/mK, 0,036W/mK e 0,016W/mK) 4. A carga térmica da câmara em kw após alterarmos a temperatura de entrada do produto para 30 C; 5. A carga térmica da câmara em kw após alterarmos a espessura de isolação para 20cm; 6. A carga térmica da câmara em kw após diminuirmos as dimensões da câmara em 40% 9

11 Questões para responder: a) O que aconteceu no item 2: porque? b) O que aconteceu no item 3: porque? c) O que aconteceu no item 4: porque? d) O que aconteceu no item 5: porque? e) O que aconteceu no item 6: porque? f) Como é conhecido o equipamento que vai dentro da câmara e para que serve? 10

12 AULA PRÁTICA 3 Objetivo Selecionar equipamentos de ar condicionado de pequeno porte. Materiais utilizados Planilha eletrônica via Excel; Trena; Bússola. Procedimentos: Desenhar a planta da sala de estudo com os pontos cardeais: Comprimento da sala: Largura da sala: Pé direito da sala: Área da sala: Área das janelas: Número de pessoas: 11

13 Potência total de iluminação: Potência total de equipamentos: Área da porta: Em posse dos valores determinar pela planilha de carga térmica: 1- A carga térmica simplificada do ambiente em BTU/h e kw; 2- A máquina de ar condicionado recomendada e a quantidade ( janela, minisplit, etc.); 3- Calcule uma nova carga térmica aumentando apenas o número de pessoas em 50%; 4- Calcule uma nova carga térmica aumentando apenas a potência das lâmpadas em 30%; 5- Calcule uma nova carga térmica colocando proteção nas janelas internamente; 6- Calcule uma nova carga térmica colocando proteção nas janelas externamente; 7- Calcule uma nova carga térmica considerando o teto em lage exposta ao sol sem isolamento e sob telhado com isolação; 8- Calcule uma nova carga térmica alterando o fator geográfico para a região norte e nordeste; Questões para responder: a) O que mais influenciou na primeira simulação na determinação da carga térmica da sala? Porque? 12

14 b) O que você faria para diminuir a carga térmica sem alterar as características da sala? c) O que aconteceu após aumentar o número de pessoas e iluminação? Porque? d) O que aconteceu após aumentar a potência das lâmpadas em 30% porque? e) O que aconteceu após resolver o item 5 e 6? Porque? f) O que aconteceu após resolver o item 7? Porque? g) Quantos aparelhos de ar condicionado você escolheu? Porque? 13

15 AULA PRÁTICA 4 Objetivo Trabalhar com cartas psicrométricas para selecionar equipamentos de grande porte. INTRODUÇÃO CARTA PSICROMÉTRICA É um diagrama que permite representar graficamente as evoluções do ar úmido, cada ponto da carta representa uma combinação de ar seco e vapor d água. A carta psicrométrica é geralmente baseada na pressão atmosférica ao nível do mar que é de 101,325 kpa, pode ser usada sem correção até 300 m de altitude, constitui uma excelente ferramenta de trabalho para analisar os diversos processos para tratamento do ar. A figura ilustra a carta psicrométrica com as diversas propriedades que podem ser determinadas através do cruzamento de no mínimo duas informações conhecidas. Onde: W = umidade absoluta, kg de água/kg de ar seco h = entalpia do ar em kj/kg Tbu = temperatura de bulbo úmido em ºC Tbs = temperatura de bulbo seco em ºC To = temperatura ponto de orvalho em ºC Po = ponto de orvalho Ve = volume específico do ar em m 3 /kg de ar seco = umidade relativa do ar no ponto P em % 14

16 Em sistemas de ar condicionado é de fundamental importância a distribuição correta da ventilação para os critérios de conforto e saúde dos usuários. A figura representa uma distribuição típica de ventilação, onde o ar é circulado e recirculado por meio de dutos sofrendo resfriamento ou aquecimento. O ar de renovação possui uma carga térmica que é determinada por: Q Sren = m arcp ar (T externa T interna ) Q Lren = m arh ar (w externa w interna ) Onde cp ar = 1kJ/kg C h agua = 2450kJ/kg A figura anterior representa o esquema de transferência de energia associada ao volume de controle do espaço que se deseja climatizar. Onde Q S e Q L são a parcela de calor sensível e latente respectivamente necessária para retirar do espaço e m ar, h e w são a vazão de ar em massa, a entalpia e a umidade absoluta do ar de entrada e saída respectivamente. Aplicando o balanço de massa e energia para sistema permanente na figura obtemos: E e = E s 15

17 m arh 1 + Q S +Q L = m arh 2 Onde Q S + Q L = Q Total Q Total = m ar(h 2 h 1 ) Q S e Q L correspondem a quantidade de calor extraída do cálculo de carga térmica Assim, a vazão de ar insuflado pode ser determinada de forma mais completa por: m ar = Q Total / (h 2 h 1 ) (kg/s) A carga térmica de ambientes consta de dois componentes independentes que é o calor sensível Q S e o calor latente Q L como indicado na figura anterior. A incorporação ou a extração de calor sensível provocam mudanças na temperatura do bulbo seco. O calor latente se relaciona com o aumento ou a diminuição da umidade contida no ar. A capacidade total Q Total de refrigeração de um condicionador de ar é a soma do calor sensível mais o calor latente extraído. Assim o cálculo de carga térmica nesse caso estará relacionado a tudo que produza calor para a sala a ser controlada como quantidade de pessoas presentes, quantidade de lâmpadas e suas respectivas potências, aparelhos elétricos, portas e janelas como também a grande influência diária do sol em todas as faces da sala. Atualmente devido aos avanços da computação recomenda-se utilizar softwares específicos para a obtenção de resultados mais precisos. Denomina-se fator de calor sensível SHR a razão do calor sensível pelo calor total, ou seja, Q S SHR = Q Total Para iniciar um projeto de ar condicionado de grande porte é recomendado seguir os seguintes procedimentos: 1. Calcular as parcelas de calor latente e sensível do local a ser climatizado; 2. Conhecer os valores de TBS e UR externo ao ambiente a ser climatizado; 3. Estabelecer os critérios de conforto do ambiente conforme recomendações da norma NBR 6401; 4. Utilizar a carta psicrométrica recomendada para cada região determinando os principais parâmetros para cada ponto de estudo. A 1ª Lei da termodinâmica pode ser empregada nesse momento; 5. Calcular a vazão de ar de insuflamento mínima necessária para o ambiente dimensionando dessa forma o fancoil ideal; Materiais utilizados Software de carta psicrométrica e de carga térmica Procedimentos: Considere uma sala de escritório de 10m x 20m com as seguintes informações: Pé direito: 3m; 16

18 Área de janelas voltada para a face norte: 6m 2 ; Quantidade de pessoas em atividade leve: 15; Potência em iluminação fluorescente: 1200W; Potência em equipamentos elétricos: 1500W; Pressão atmosférica igual a 101,32 kpa; Condições recomendadas para essa sala: TBS de 23 a 25 C e UR de 40 a 60% Condições do ar externo: 30 C e 70% UR Renovação de ar exigida (consultar NBR 6401 tabela abaixo) Tipo de ocupação m 3 /h pessoa (máximo) m 3 /h pessoa (mínimo) Bancos Bar Bingos Estúdios Lojas 48 8 Hospitais (quartos) Hotéis (quartos) Residências Restaurantes Teatros cinemasauditórios Salas de aula Salas de reunião Escritório geral Em posse dos valores selecionar equipamento de ar condicionado central resfriado a ar determinando: 1. A parcela de calor latente e sensível do ambiente; 2. A razão calor sensível/calor total (SHR) para o processo; Mostrar os cálculos 3. A carga térmica do ar de renovação para o mínimo e o máximo exigido; Mostrar os cálculos 17

19 4. A temperatura de orvalho da serpentina ( extraída da carta psicrométrica); 5. A vazão de ar de insuflamento da máquina em L/h; Mostrar os cálculos 6. A máquina de refrigeração recomendada (consultar catálogo de fabricantes informando a vazão de ar e a capacidade de refrigeração do modelo escolhido ). Questões para responder: a) O que acontece com a carga térmica do ar de renovação se diminuirmos em 1 C a temperatura do ar interno? Refaça os cálculos b) O que interfere na carga térmica do ar de renovação utilizando o mínimo e o máximo recomendado? c) O que interfere no consumo de energia elétrica a carga térmica do ar de renovação? 18

20 d) O que acontece se selecionarmos um equipamento com vazão de ar de insuflamento menor que o calculado? E maior? e) O que acontece se selecionarmos um equipamento com capacidade refrigeração menor que o calculado? E maior? 19

21 AULA PRÁTICA 5 Objetivo Trabalhar com simulação termoenergética em edifícios. INTRODUÇÃO Atualmente diversos programas de simulação computacional são utilizados em todo o mundo para a simulação de ambientes e cálculo de cargas térmicas com a finalidade de reproduzir um caso realístico por meio de um modelo que permite avaliar o comportamento termoenergético quando submetido a diversas condições, tais como materiais empregados na envoltória do edifício, fatores internos como o movimento de pessoas, lâmpadas e equipamentos. O programa EnergyPlus é um software livre fornecido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos para simulação de carga térmica e análise energética. Realiza simulação térmica e energética de edificações a partir dos mais diversos formatos de construção e localização geográfica. Através do EnergyPlus pode-se desenvolver estudos para melhoria da eficiência energética de edificações existentes ou em fase de projeto com grande aplicação em equipamentos de ar condicionado principalmente. Materiais utilizados Software EnergyPlus Procedimentos : 1- Iniciando a zona térmica vamos inserir primeiramente uma parede voltada para o oeste, feita de concreto maciço de 10cm de espessura: 2- Abra a janela do EP-Launch; 3- Abra o IDF Editor e veja o primeiro procedimento que é Simulation Parameters; 4- Em simulation control coloque: Yes, no,no,no, Yes; 5- Em Building proceda como na figura abaixo; 20

22 6- Em Surface convection Algorithm Inside, digite TARP; 7- O mesmo procedimento para o Outside; 8- Em Heat Balance Algorithm digite Conduction Transfer; 9- Em zone Capacitance Multiplier coloque o número 1; 10- Em timestep coloque o número 4; 11- Em seguida localize Location and climate e proceda como a figura abaixo; 21

23 12- Em Run period proceda como na figura a seguir: 13 -Localize a classe de objetos denominada Surface Construction Elements; 14 -Selecione o grupo de objetos denominado Material; 15- Adicione um novo objeto para este grupo, clicando no botão ; 16- Preencha os campos deste objeto com os seguintes valores: Name: Concreto Roughness: rough Thickness (m): 0.1 Conductivity (W/m-K): 1.75 Density (kg/m3): 2300 Specific Heat (J/kg-K): 1000 Thermal absorptance: 0,9 Solar absorptance: 0,6 Visible absorptance: 0, Selecione o grupo de objetos Construction e adicione um novo objeto para este grupo; 18 - Preencha os campos deste objeto com os seguintes valores: Name: Parede de concreto Outside layer: Concreto (adotar os materiais inseridos) 19- Localize a classe de objetos denominada Thermal Zone and Surfaces; 22

24 20- Selecione o grupo de objetos Zone e adicione um novo objeto para este grupo; 21- Preencha os campos deste objeto com os seguintes valores: Name: Zona1 Direction of relative North: 0 X origin: 0 Y origin: 0 Z origin: 0 Para os demais campos deixar os valores default sugeridos pelo programa. 22- Estabelecer através do objeto GlobalGeometryRules as coordenadas para a modelagem das paredes, piso, cobertura e janelas; 23- Preencha os campos deste objeto com a sua preferência. Sugestão: Starting Vertex Position: LowerLeftCorner Significa que o usuário deve iniciar a inserir as coordenadas do vértice de uma superfície pelo canto inferior esquerdo. Vertex Entry Direction: CounterClockWise Significa que a sequência dos vértices deve seguir o sentido anti-horário. Coordinate system: Relative Significa que cada zona terá seu sistema de coordenadas. Deve-se sempre visualizar cada superfície de fora para dentro antes de inserir as coordenadas. O esquema de coordenadas descrito acima corresponde a figura abaixo: As coordenadas da parede estão indicadas na figura a seguir. 23

25 24- No IDF editor vá até o final e localize o grupo de objetos Report: variable. 25- Adicione um novo objeto com os seguintes parâmetros: Key value: * Variable name: Oudoor Dry Bulb Reporting Frequency: hourly Schedule Name: deixar em branco Acrescentar mais duas colunas ao lado da primeira e digitar: Key value: * Variable name: Surface Inside Temperature Reporting Frequency: hourly Key value: * Variable name: Surface outside Temperature Reporting Frequency: hourly 26- salve o programa 27- Clicar no botão simulate Determinar: 1- O gráfico da variação da temperatura interna da parede; 24

26 2- Outra simulação para reduzir a temperatura interna da parede. Para isso podemos, por exemplo, considerar que a parede apresenta uma cor clara, ou seja, vamos diminuir a absortância solar e a absortância visível da parede de modo a aumentar a reflexão dos raios do sol. Na primeira simulação considerou-se os valores: Thermal absorptance: 0,9 Solar absorptance: 0,6 Visible absorptance: 0,6 Agora vamos simular com os seguintes valores: Thermal absorptance: 0,9 Solar absorptance: 0,2 Visible absorptance: 0,2 Onde os valores de 0,2 representam uma superfície de cor branca. Refaça novamente o gráfico do item 1; 3- Outra simulação incluindo o teto, o piso e todas as paredes. Adicione um novo objeto ao grupo BuildingSurface: Detalied; cada objeto deste grupo corresponde as superfícies de cada zona térmica, ou seja, paredes, piso e cobertura. A ordem correta dos vértices é obtida enxergando-se cada superfície de fora da zona. A mesma consideração deve ser feita para a cobertura (enxergando-a do céu para baixo) e para o piso (enxergandoo do solo para cima). O próximo passo é a construção de uma tabela constando todos os valores das três coordenadas, como indica a tabela a seguir. Sul Leste Oeste Norte Piso Cobertura 1x y z x y z x y z x y z

27 Os diversos materiais de construção utilizados na simulação estão indicados na figura a seguir. Construa o gráfico da variação da temperatura da sala. 4- Agora vamos considerar que o aposento anterior possui cargas internas como pessoas, aparelhos elétricos e iluminação com os seguintes dados. Pessoas: 4 em atividade leve Iluminação: 800 W Aparelhos elétricos: 580 W Vamos adicionar também uma taxa de infiltração de ar externo, considerando uma taxa de uma troca por hora, isto é, todo o volume do ar da zona é trocado uma vez a cada hora. 1- Abra o editor IDF e vá até Zone airflow; 2- Clique em zone infiltration: design flow rate e digite o seguinte: Name: infiltração zona 1 Zone or zone list name: zona 1 Schedule name: infiltração Design flow rate calculation method: flow/zone Design flow rate (m 3 /s): 0,02 A vazão de ar de infiltração é determinada dividindo-se o volume da zona por 3600s para obter a taxa em m 3 /s. Volume = = 144m 3 Vazão de ar = 1 troca/h = 144 m 3 / 3600s = 0,04 m 3 /s Os Schedules representam a frequência que ocorre as cargas de calor da zona. Assim para esse exemplo precisamos acrescentar um Schedule para infiltração, iluminação e ocupação das pessoas com suas respectivas atividades. A figura a seguir ilustra os schedules adotados. 26

28 De acordo com a figura a ocupação inclui o uso de energia a partir das 8:00h da manhã com 100% até as 12:00h, cai para 50% até as 14:00h e volta para 100% até as 18:00h da tarde, período típico de escritórios. 3- Acrescente os valores das cargas internas em Internal Gains para people, lights e electric equipment. 4- Salve o programa; 5- Rode o programa e veja o que aconteceu com a temperatura interna para o nosso dia de verão adotado. 5- Determinação da carga térmica para seleção de aparelho de ar condicionado. 1- Vá até HVAC templates e selecione HVAC template: thermostat Name: termostato zona1 Constant Heating Setpoint: 18 C Constant Cooling Setpoint: 24 C O que o programa faz nesse caso é incluir um aparelho de ar condicionado fictício onde o setpoint de temperatura está em 18 C para ligamento e 24 C para desligamento através do controle do termostato. 2- Em seguida clique em HVAC template: Zone: ideal load air system e preencha: Zone name: zona 1 Template termostat name: termostato zona 1 3- Por último, procure a classe de objetos denominada de output reporting e clique em output: variable: 27

29 Acrescentar mais duas colunas ao lado da primeira e digitar: Key value: * Variable name: Ideal loads air total cooling rate Reporting Frequency: hourly Key value: * Variable name: Zone/ sys sensible cooling rate Reporting Frequency: hourly Essas duas novas colunas vão indicar a carga térmica total da sala a ser retirada como também a parte de calor sensível do ambiente. 4- Salve o programa e execute a simulação Inserindo um aparelho de ar condicionado no ambiente Condições de renovação de ar para o equipamento: NBR 6401 É importante ressaltar que esses tipos de aparelhos não possuem sistemas de renovação de ar exigido pela legislação, mas é necessário efetuar o cálculo e preencher os campos recomendados para efetivar a simulação. 1- Abra a janela do EP-Launch; 2- Abra o IDF Editor e procure o último arquivo salvo; 3- Em simulation control coloque agora: yes, yes,no,no, Yes; 4- Em seguida localize HVAC templates e proceda como na figura a seguir; 28

30 5- Em Baseboard heating availability Schedule Name é necessário criarmos um schedule para aquecimento, visto que nos EUA todos os equipamentos de ar condicionado possuem aquecimento, como em nosso caso não será necessário, então a Schedule ficará como indicado na figura a seguir. 29

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32 6- Procure a classe de objetos denominada de output reporting e selecione as seguintes informações: Em variable dictionary, coloque: Key Field: regular Em Output: surfaces list, coloque: Report type: lines Em Output surfaces drawing, coloque: Report type: DXF Report specifications 1: thick polyline Em Output table: Summary reports, coloque: Report 1 name: All summary Em Output control: table style, coloque: Column separator: HTML Unit conversion: J to kwh 7- Salve o programa e execute a simulação 7- -Determinando a matriz energética da instalação Após a simulação, abra a janela EP-Launch e clique na opção tables situada em View results. Nesse momento é possível construirmos a matriz energética da instalação com as informações obtidas pela opção Demand End Use Components Summary. 31