Disciplina: Sistemas Térmicos

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1 Disciplina: Sistemas Térmicos

2 Estimativa de Carga Térmica Para dimensionar adequadamente um sistema de climatização para um ambiente, algumas variáveis são primordiais: Temperaturas e teor de umidade para conforto, conforme atividade desenvolvida no ambiente, para inverno e verão. Temperatura e umidade estimada para a localização do ambiente. Quantidade de pessoas estimado para o ambiente. Radiação solar esperada nas janelas. Condução de calor através das paredes e teto do recinto. Fontes de calor no ambiente: equipamentos, luzes, etc. Calor trocado pelo ambiente com o meio exterior por meio do fluxo de ar através da ventilação, portas, etc.

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6 Calor Sensível e Calor Latente Toda vez que um corpo perde ou ganha calor, variando sua temperatura, sem ocorrer mudança de estado, diz-se que este corpo perdeu ou ganhou calor sensível. Por exemplo, uma quantidade de água, na fase líquida, no caso de ser aquecida de 20 para 99 o C, em pressão atmosférica equivalente à encontrada ao nível do mar, pode ser afirmado que a água ganhou calor sensível. Não houve mudança de estado da mesma no processo.

7 Considerando ainda a mesma água, caso seja elevada sua temperatura de 99 para 100 o C, ainda em pressão atmosférica equivalente a encontrada ao nível do mar, será observado que ocorrerá um princípio de mudança de fase, pois terá início a vaporização da massa de água. A partir do momento em que passou a ocorrer a vaporização, a temperatura da água permanecerá estável, até que toda a água líquida passe para o estado de vapor.

8 O calor ganho pela água durante o processo de vaporização é chamado de calor latente. Observe que não houve mudança de temperatura! Do mesmo modo, se o vapor gerado pelo aquecimento da massa de água passar por um condensador que removesse seu calor, haveria a ocorrência de condensado (líquido) a 100oC. O calor removido seria também calor latente. Resumindo: Sempre que houver troca de calor envolvendo mudanças na temperatura, sem mudança de estado físico, o calor trocado (ganho ou perdido) será denominado de calor sensível. Sempre que houver troca de calor envolvendo mudanças de estado físico, sem variação de temperatura, o calor trocado (ganho ou perdido) será denominado de calor latente.

9 Carta Psicrométrica, Calor Sensível e Calor Latente Para os exemplos apresentados a seguir, são utilizados 3 pontos da carta psicrométrica como referência: Ponto 1: TBS = 23,9 o C e TBU = 17,2 o C Ponto 2: TBS = 29,4 o C e TBU = 18,9 o C Ponto 3: TBS = 29,4 o C e TBU = 25,0 o C

10 3 TBU 25oC 1 2 TBU 19oC TBU 17oC TBS 24oC TBS 29,4oC

11 Dados iniciais: TBS 23,9oC TBU 17,2oC TBU 17oC TBS 24oC

12 Dados iniciais: TBS 23,9oC TBU 17,2oC UR 50% Entalpia h = 48 kj / kgar Uabs 9,2 g H2O/ kg Ar TBU 17oC TBS 24oC

13 Propriedades dos pontos com base na carta psicrométrica: Ponto TBS [ o C] 23,9 29,4 29,4 TBU [ o C] 17,2 18,9 25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2 9,4 18,2 h [kj / kg Ar]

14 Exemplo de aplicação: aquecimento envolvendo somente calor sensível. Seja uma vazão de 0,472 m 3 /s de ar através de um aquecedor, recebendo calor sensível.* Estime a quantidade de calor trocada pelo radiador com o ar, por hora. Ponto 1: TBS = 23,9 o C e TBU = 17,2 o C Ponto 2: TBS = 29,4 o C e TBU = 18,9 o C Ponto 1 Ponto 2 * Ocorre mudança de temperatura sem mudança de estado físico.

15 Ponto 1: TBS = 23,9 o C Ponto 2: TBS = 29,4 o C Q = m. c. T Onde Q é a quantidade de calor trocada pela massa m, c é o calor específico e T, temperatura. Neste caso, o calor específico é o calor específico a pressão constante, do ar: c p = 1004 J/kg.K Considerando nível do mar, a massa específica do ar* pode ser estimada como sendo 1,2250 kg/m 3. A vazão de 0,472 m 3 /s, multiplicada pela massa específica do ar, indica uma vazão mássica de 0,5782 kg/s de ar. * ar = 1,2250 kg/m 3 ao nível do mar, atmosfera padrão.

16 Deste modo Q = m. c. T Q = 0, ,5 = 3192,8204 J/s Esta é a quantidade de calor trocada em 1 segundo. Como é necessário estimar a quantidade de calor trocada por hora, o resultado é então multiplicado por 3.600, obtendo ,2 kj/h. 1 kj = 0, BTU Convertendo para unidades inglesas, tem-se BTU/h. Este cálculo também pode ser realizado empregando-se a entalpia de cada ponto.

17 Ponto 1: TBS = 23,9 o C, h = 48 kj / kgar Ponto 2: TBS = 29,4 o C, h = 54 kj / kgar Desta forma será calculada a quantidade total de calor (sensível mais latente) trocado pelo radiador com o ar. Entretanto, neste caso a quantidade total de calor é igual ao calor sensível, pois o calor latente é nulo. Q = m. h Q = 0, = 3,4692 kj/s Multiplicando o resultado por 3.600, chega-se a ,1 kj/h. Convertendo para unidades inglesas, tem-se BTU/h.

18 Exemplo de aplicação: umidificação envolvendo somente calor latente. Seja uma vazão de 0,472 m 3 /s de ar através de um duto umidificador, recebendo somente calor latente.* Estime a quantidade de calor trocada por hora. Ponto 3 Ponto 2 * Ocorrência de troca de calor envolvendo mudanças de estado físico, sem variação de temperatura

19 Aspersão de água Fluxo de ar

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21 Propriedades: Ponto 2 3 TBS [ o C] 29,4 29,4 TBU [ o C] 18,9 25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,4 18,2 h [kj / kg Ar] Vazão volumétrica: 0,472 m 3 /s Vazão mássica: 0,5782 kg/s O calor latente trocado também pode ser estimado ao se calcular o calor total trocado no umidificador. Q = m h

22 Vazão mássica: 0,5782 kg/s Ponto 2 3 TBS [ o C] 29,4 29,4 TBU [ o C] 18,9 25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,4 18,2 h [kj / kg Ar] Q = m h Q = 0, = 12,7204 kj/s Convertendo as unidades, tem-se Q = BTU/h.

23 Exemplo de aplicação: resfriamento com desumidificação em uma serpentina. Uma vazão volumétrica de 0,472 m 3 /s de ar será desumidificada e resfriada em uma serpentina de um ar condicionado. Estime a quantidade de calor sensível e a de calor latente trocada por hora. Serpentina do evaporador Ponto 3 Ponto 1

24 Condensador (quente) Motor dos ventiladores Evaporador (frio) Válvula de HowStuffWorks.com Compressor

25 Serpentina do condensador Ar externo Retorno do ar resfriado no evaporador acrescido de um pouco de ar externo. Ar interno Serpentina do evaporador

26 Propriedades: Ponto 1 3 TBS [ o C] 23,9 18,9 TBU [ o C] 17,2 25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2 18,2 h [kj / kg Ar] Vazão volumétrica: 0,472 m 3 /s Vazão mássica: 0,5782 kg/s O calor total trocado também pode ser estimado usando-se a entalpia, mas neste caso é necessário estimar separadamente o calor sensível e o latente.

27 3 TBU 25oC 1 TBU 17oC TBS 24oC TBS 29,4oC Para estimar separadamente o calor sensível e o latente usa-se um artifício.

28 Que consiste em desenhar um triângulo retângulo empregando os pontos inicial e final do processo como extremos da hipotenusa. O vértice restante do triângulo deve ficar diretamente abaixo do ponto mais elevado da hipotenusa. 1 3

29 Este vértice restante do triângulo é chamado aqui de ponto Pr (ponto de referência). Através da carta, chega-se ao valor de entalpia correspondente ao ponto Pr, cerca de 53,5 kj/kg Ar 3 Entalpia h = 53,5 kj / kgar 1 Pr

30 Vazão mássica: 0,5782 kg/s Ponto 1 Pr 3 TBS [ o C] 23,9-29,4 TBU [ o C] 17,2-25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2-18,2 h [kj / kg Ar] 48 53,5 76 Calor latente: Q = m h h Cateto vertical do triângulo! Q = 0, ,5 = 13,0095 kj/s Convertendo, Q L BTU/h

31 Vazão mássica: 0,5782 kg/s Ponto 1 Pr 3 TBS [ o C] 23,9-29,4 TBU [ o C] 17,2-25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2-18,2 h [kj / kg Ar] 48 53,5 76 Calor sensível: Q = m h h Cateto horizontal do triângulo! Q = 0, ,5 48 = 3,1801 kj/s Convertendo, Q S BTU/h

32 Vazão mássica: 0,5782 kg/s Ponto 1 Pr 3 TBS [ o C] 23,9-29,4 TBU [ o C] 17,2-25,0 UR [%] U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2-18,2 h [kj / kg Ar] 48 53,5 76 Calor Total: Q = m h h Q = 0, = 16,1896 kj/s Convertendo, Q T BTU/h

33 Exercício Seja uma operação de resfriamento com desumidificação em uma serpentina, similar a apresentada no último exemplo. Uma vazão volumétrica de 0,3 m 3 /s de ar será desumidificada e resfriada na serpentina de um ar condicionado, sendo as condições inicial e final tal como listadas na tabela a seguir. Estime a quantidade de calor total, sensível e latente trocada por hora. Final Inicial TBS [ o C] TBU [ o C] 14 25

34 Vazão volumétrica: 0,3 m 3 /s Vazão mássica: 0,3675 kg/s Ponto Final Pr Inicial TBS [ o C] TBU [ o C] UR [%] 40,7-52,6 U abs [g H 2 O / kg Ar] 6,7-16,7 h [kj / kg Ar] 39, ,9 Calor Latente: Q = BTU/h Calor Sensível: Q = BTU/h Calor Total: Q = BTU/h

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36 Bibliografia Procel, Eletrobrás Sistemas de Ar Condicionado. Rio de Janeiro RJ. Obs.: Manual Prático Procel