Disciplina: Sistemas Térmicos

Disciplina: Sistemas Térmicos

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.

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.

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.

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.

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

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

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

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

Propriedades dos pontos com base na carta psicrométrica: Ponto 1 2 3 TBS [ o C] 23,9 29,4 29,4 TBU [ o C] 17,2 18,9 25,0 UR [%] 50 38 70 U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2 9,4 18,2 h [kj / kg Ar] 48 54 76

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.

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.

Deste modo Q = m. c. T Q = 0,5782 1004 5,5 = 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 11.494,2 kj/h. 1 kj = 0,947817 BTU Convertendo para unidades inglesas, tem-se 10.894 BTU/h. Este cálculo também pode ser realizado empregando-se a entalpia de cada ponto.

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 = 0,5782 54 48 = 3,4692 kj/s Multiplicando o resultado por 3.600, chega-se a 12.489,1 kj/h. Convertendo para unidades inglesas, tem-se 11.837 BTU/h.

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

Aspersão de água Fluxo de ar

Propriedades: Ponto 2 3 TBS [ o C] 29,4 29,4 TBU [ o C] 18,9 25,0 UR [%] 38 70 U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,4 18,2 h [kj / kg Ar] 54 76 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

Vazão mássica: 0,5782 kg/s Ponto 2 3 TBS [ o C] 29,4 29,4 TBU [ o C] 18,9 25,0 UR [%] 38 70 U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,4 18,2 h [kj / kg Ar] 54 76 Q = m h Q = 0,5782 76 54 = 12,7204 kj/s Convertendo as unidades, tem-se Q = 43.404 BTU/h.

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

Condensador (quente) Motor dos ventiladores Evaporador (frio) Válvula de expansão @2003 HowStuffWorks.com Compressor

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

Propriedades: Ponto 1 3 TBS [ o C] 23,9 18,9 TBU [ o C] 17,2 25,0 UR [%] 50 70 U abs [g H 2 O / kg Ar] 9,2 18,2 h [kj / kg Ar] 48 76 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.

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

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

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

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 [%] 50-70 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 = 0,5782 76 53,5 = 13,0095 kj/s Convertendo, Q L 44.390 BTU/h

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 [%] 50-70 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 = 0,5782 53,5 48 = 3,1801 kj/s Convertendo, Q S 10.851 BTU/h

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 [%] 50-70 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 = 0,5782 76 48 = 16,1896 kj/s Convertendo, Q T 55.241 BTU/h

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] 22 33 TBU [ o C] 14 25

Vazão volumétrica: 0,3 m 3 /s Vazão mássica: 0,3675 kg/s Ponto Final Pr Inicial TBS [ o C] 22-33 TBU [ o C] 14-25 UR [%] 40,7-52,6 U abs [g H 2 O / kg Ar] 6,7-16,7 h [kj / kg Ar] 39,1 51 75,9 Calor Latente: Q = 31.224 BTU/h Calor Sensível: Q = 14.922 BTU/h Calor Total: Q = 46.146 BTU/h

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