Carlos Eduardo da Silva Miranda

Sistemas de Refrigeração em Plataformas Offshore com o Uso de Água do Mar Carlos Eduardo da Silva Miranda PROJETO FINAL SUBMETIDO À BANCA APROVADA PELO COLEGIADO DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE ENGENHEIRO NAVAL. Aprovado por: Prof. Luiz Antônio Vaz Pinto, D.Sc. - UFRJ Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc. - UFRJ Prof. Richard Schachter, D.Sc. UFRJ Eng. Fernando Pedrosa Guedes, M.Sc. - Petrobras RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL JUNHO DE 200

Resumo do Projeto Final apresentado ao Departamento de Engenharia Naval e Oceânica Escola Politécnica / UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Diploma de Engenheiro Naval. Sistemas de Refrigeração em Plataformas Offshore com o Uso de Água do Mar Carlos Eduardo da Silva Miranda Junho de 200 Orientador: Luiz Antonio Vaz Pinto, D.Sc. Programa: Engenharia Naval e Oceânica O projeto consiste em análise da viabilidade técnica do uso de água do mar como refrigerante primário de um sistema de refrigeração por expansão indireta em plataformas offshore que operam em águas profundas e ultra-profundas (acima de 1000 m). Foi utilizada uma plataforma real como exemplo para obtenção de carga térmica e dimensionamento do sistema de refrigeração proposto.

Índice Agradecimentos...3 1 Introdução...4 1.1 Penetração do ar condicionado nos setores comercial e público...4 2 O clima...5 2.1 Conceito de clima...5 2.2 Tipos de clima...5 2.3 Parâmetros climáticos...6 2.3.1 Radiação solar...6 2.3.2 Temperatura e umidade do ar (ambiente)...7 2.3.3 Movimentos do ar... 2.3.4 O tratamento dos dados meteorológicos... 3 Condições de ocupação...9 4 As trocas de ar com o meio ambiente...9 5 As condições de operação do sistema de ar condicionado...9 6 Condicionamento do Ar...10 7 Refrigerantes...12 7.1 Compostos Halocarbônicos...12 7.2 Compostos Inorgânicos...12 7.3 Hidrocarbonetos...13 7.4 Azeotropos...13 7.5 Depleção da camada de ozônio...15 7.6 Base de escolha de Refrigerantes...16 7.6.1 Propriedades de um bom refrigerante...17 7.7 Aplicações de Refrigerantes...17 7. Refrigerantes Secundários...1 Ciclo Padrão de Compressão a Vapor...1.1 Propriedades dos refrigerantes...19.2 Desempenho de um ciclo padrão de compressão a vapor...22 9 Sistema de Refrigeração utilizando água do mar em lâminas d água profundas...23 9.1 Extensão ideal da rede de tubulação para conversão de energia térmica oceânica...24 9.2 Método de Refrigeração utilizando Água do Mar...24 9.3 Operação Básica do resfriador...27 9.4 Demanda Térmica...2 9.5 Cálculo da Carga Térmica...32 9.5.1 Carga de condução Calor Sensível...33 9.5.2 Carga devido à insolação Calor sensível...34 9.5.3 Carga devido à tubulação calor sensível...34 9.5.4 Carga devido às pessoas calor sensível e latente...35 1

9.5.5 Carga devido a equipamentos - Iluminação...3 9.5.6 Carga devido a infiltração...3 9.5.7 Carga devido a ventilação...39 9.5. Configuração do Módulo B 1 Deck...40 9.5.9 Configuração do Módulo B 2 Deck...41 9.5.10 Configuração do Módulo B 3 Deck...42 9.5.11 Configuração do Módulo A 1 Deck...43 9.5.12 Configuração do Módulo A 2 Deck...44 9.5.13 Configuração do Módulo A 3 Deck...45 9.5.14 Cálculo da carga térmica...46 10 Condições Ambientais : Bacia de Campos RJ...47 10.1 Temperatura Atmosférica da região...47 10.2 Temperatura da água do Mar sob determinadas Profundidades...47 11 Modelos que atendem a demanda térmica da plataforma...61 12 Análise dos resultados...64 13 Conclusão...66 Anexo...6 Anexo A: Cálculo de carga témica...69 Anexo B : Condições Ambientais da Bacia de Campos...114 Temperatura Atmosférica da região...114 Temperatura da Água x Profundidade...115 Anexo C: Cálculo de Fluxo de Calor para Modelos disponíveis no mercado existente...127 Relação de tabelas, gráficos e figuras...135 Referências Bibliográficas...13 2

Agradecimentos À Deus, por tudo. Aos Meus Pais e Familiares pelo incentivo e apoio em todos os momentos. Ao meu orientador Prof. Luiz Antonio Vaz Pinto, que foi fundamental para conclusão do curso, pela troca de experiência e informações, além do apoio como todo bom tricolor. Ao Engenheiro Fernando Pedrosa, também fundamental pela ajuda e orientação neste projeto. Aos amigos pela motivação e apoio. Aos meus companheiros de trabalho da ENAVAL, pelo incentivo, pela enorme disposição em me ajudar e por fornecerem um ambiente tranqüilo em que eu pudesse desenvolver em paralelo este trabalho. 3

1 - Introdução O objetivo do projeto é desenvolver um sistema de refrigeração em plataformas que apresente um rendimento maior que o sistema convencional de ar condicionado, apresentando um custo menor. A proposta inicial do projeto é utilizar a água do mar como líquido refrigerante, uma vez que este recurso é abundante principalmente em águas profundas e ultra-profundas ( lâmina d água acima de 1000 metros) em que operam as plataformas de perfuração e outros sistemas offshore. Este sistema causará menos impacto ao meio ambiente, pois evita o aquecimento global. 1.1 - Penetração do ar condicionado nos setores comercial e público Os setores comercial e público são os que mais se utilizam de sistemas de ar condicionado devido: ao crescimento e à modernização da área de serviços; à construção de grandes centros comerciais; à ampliação do horário de funcionamento do comércio; à necessidade de redução de níveis de ruído e melhoria das condições de conforto nos ambientes de trabalho para aumentar a produtividade. Isso é mostrado pelo aumento de 350% nas vendas de equipamentos de ar condicionado na década de 90, conforme estatísticas representadas no Gráfico 1. Gráfico 1 - Estatísticas de potência elétrica instalada x tempo no mundo 4

Observa-se que a potência elétrica total de sistemas centrais de ar condicionado, vendidos nos últimos oito anos da década de 90, praticamente quintuplicou. Ao se considerar todos os equipamentos vendidos ainda em condições de uso, a potência equivalente total (cerca de 900 MW), corresponde quase à da hidroelétrica de Itaipu (12000 MW). Supondo um fator de carga de 40% (3500 MW) dessa potência instalada em operação, tem-se uma demanda de energia elétrica de aproximadamente 30,5 TWh/ano para fins de ar condicionado. Isso, por exemplo, comparando com a demanda total (71,2 TWh) de energia elétrica no ano de 1999 dos setores comercial e público, corresponde a quase 50% só com ar condicionado. 2 - O clima 2.1 - Conceito de clima Normalmente, o clima é conceituado como sendo a condição média da variação diária dos parâmetros meteorológicos em uma dada região, baseada em medições durante muitos anos. O clima depende principalmente dos seguintes parâmetros: radiação solar; temperatura do ar; umidade do ar; movimento do ar (velocidade e direção) que, além de se alterarem ao longo das 24 horas do dia e ao longo do ano, variam com a latitude, altitude e outras características locais. Por exemplo, atenuação da radiação solar devido a nuvens, ventos, precipitações de chuva, etc. 2.2 - Tipos de clima Para caracterizar o clima das diversas regiões do globo, este é dividido em zonas de climas similares, chamadas regiões climáticas. No Brasil, dada a sua grande extensão territorial e a sua localização entre dois trópicos, vários tipos diferentes de clima são identificados. Como neste trabalho a análise de demandas de energia é para edificações em diversas regiões do Brasil; a seguir são apresentadas as principais características de seus climas. Clima equatorial (quente úmido): compreende toda a Amazônia com temperaturas médias entre 24 C e 26 C: chuva abundante e bem distribuída (2500 mm/ano); Clima tropical: verão quente e chuvoso; inverno quente e seco com temperaturas médias acima de 20 C; chuvas oscilam entre 1000 mm/ano e 1500 m/ano.compreende grandes áreas de Mato Grosso, Tocantins, Maranhão e Ceará; 5

Clima tropical de altitude: estende-se entre o norte do Paraná e o sul do Mato Grosso do Sul, e nas regiões mais altas do planalto atlântico; verão com chuvas mais intensas (entre 1000 mm/ano e 100 mm/ano) e inverno com ocorrência de geadas, com temperaturas médias na faixa de 1 C a 22 C; Clima tropical atlântico: regiões litorâneas. Temperaturas médias entre 1 C e 26 C; chuvas concentradas no verão (1200 mm/ano), para regiões mais ao sul; no inverno e outono, para regiões de menores latitudes (próximas ao equador); Clima subtropical (temperado): compreende a região sul do país, com temperaturas médias abaixo de 20 C; chuvas bem distribuídas (entre 1500 mm/ano e 2000 mm/ano). Inverno rigoroso nas áreas mais elevadas (montanhosas); Clima semi-árido: região mais seca do país, compreende parte do interior do Nordeste; temperaturas médias altas (em torno de 27 C), com chuvas escassas (menos de 00 mm/ano). 2.3 - Parâmetros climáticos 2.3.1 - Radiação solar A Terra recebe constantemente energia oriunda do Sol, em forma de ondas eletromagnéticas, chamada radiação solar. Essa energia resulta de reações termonucleares no interior daquela estrela (é a mesma forma de energia que dá origem às bombas termonucleares aqui na Terra e oriunda do núcleo de hidrogênio). A energia liberada nessas reações atravessa as diversas camadas constituintes do Sol e aparece na superfície deste, como radiação eletromagnética, cujo espectro corresponde ao da radiação do corpo negro a 6000 K. Ao topo da atmosfera terrestre chega uma intensidade de radiação solar de 1353 W/m2, chamada constante solar. Dessa radiação: parte dela vem diretamente para a superfície da Terra (radiação direta); parte é absorvida (absorção pelo ozônio, pelos vapores d água etc.) e espalhada por partículas contidas na atmosfera (radiação difusa); parte retorna ao espaço, por reflexão ou após absorção e reemissão pela atmosfera. Considerando que a radiação solar na superfície da Terra é um fator importante na determinação das condições climáticas, sua medida é feita em estações meteorológicas para as diversas latitudes, época do ano e hora do dia. Dessa medição são elaboradas tabelas de insolação média para uma determinada localidade. A radiação solar que atravessa a atmosfera e atinge a superfície terrestre compreende um espectro com uma composição aproximada: 1% a 5% de ultravioleta (UV); 41% a 45% de luz visível (LV); 6

52% a 60% de infravermelho (IV). A parcela de UV, de comprimento de onda entre 290 nm e 30 nm (1 nm = nanometro (1 nm = 10-9 m), não representa uma fonte de calor ou de luz, mas necessita certos cuidados na sua aplicação quando se trata do ser humano. Exposição prolongada causa eritema, bronzeamento e irrita os olhos (conjuntivites). A radiação na faixa de comprimento de onda de 320 a 30 nm atravessa a maioria dos tipos de vidros. Nessa faixa tem a característica de causar fluorescência ou reação fotoquímica em certos materiais. As radiações solares, de comprimentos de onda entre 30 e 760 nm, são perceptíveis pelo olho humano na forma de luz (garantem as condições de iluminação natural dos ambientes). A parcela de radiação infravermelha, de comprimento de onda de 70 nm a 2500 nm, não é perceptível pelo olho humano, e representa uma fonte de calor. Acima de 2500 nm a 3000 nm têm-se radiações infravermelhas longas que são emitidas pelos corpos aquecidos pela radiação solar, por exemplo, o solo do entorno das edificações ou por outras próximas etc. 2.3.2 - Temperatura e umidade do ar (ambiente) O fator mais importante que afeta a temperatura ambiente é a movimentação de grandes massas de ar na atmosfera (frentes frias). Além disso, a temperatura do ar em uma dada região depende também das características locais (vegetação, topografia e altitude) que influenciam a forma como a radiação solar é absorvida pelo solo. A temperatura dependerá além da movimentação da massa de ar, também da época do ano. Isso porque haverá maior ou menor incidência de radiação solar na superfície da Terra, causada pela sua órbita elíptica em torno do Sol e à inclinação do seu eixo em relação ao plano de sua trajetória. Outro fator importante na determinação das condições climáticas locais é a presença de vapor d água na atmosfera terrestre, formando uma mistura gasosa em estado de superaquecimento. Esse vapor é proveniente da evapotranspiração dos vegetais e da evaporação da água contida nos mares, rios, lagos e no solo. A quantidade em peso de vapor d água contido em uma unidade de volume de ar (g/m3) é definida como umidade absoluta do ar. Diz-se que o ar está saturado quando contém o peso máximo de umidade (vapor d água) compatível com sua temperatura. Nesse estado o vapor encontra-se no limite de saturação ou no estado de vapor saturado seco. Define-se, então, a umidade relativa (UR) do ar como a relação entre o peso de vapor d água contido em um metro cúbico (1 m3) de ar úmido e o peso de vapor que conteria caso estivesse saturado. Isso eqüivale a dizer que a umidade relativa é uma porcentagem da umidade absoluta de saturação: 7

Esses vapores d água, quando presentes na atmosfera, se aquecem com a radiação solar durante o dia e bloqueiam a saída da radiação do solo à noite. Assim: Nas regiões quentes e úmidas, é pequena a variação da temperatura diurna-noturna (em torno de 10oC); Nas regiões quentes e secas, é maior a variação da temperatura diurna x noturna (em torno de 15oC); Nas regiões frias tanto o calor como o frio apresentam certo rigor, dependendo da umidade relativa do ar, da variação da temperatura diária e anual e da quantidade de radiação recebida, principalmente, no verão e no inverno, além dos índices relativos à pluviosidade. O comportamento da temperatura e da umidade do ar, ao longo do ano, pode ser conhecido através dos dados climáticos obtidos nas normais climatológicas, para um determinado local. 2.3.3 - Movimentos do ar O ar é uma camada gasosa que envolve o planeta constituindo a chamada atmosfera terrestre. Junto à superfície da Terra, ele tem uma composição em volume, aproximadamente de: Nitrogênio (N2)...: 7%; Oxigênio (O2)...: 21%; Dióxido de carbono (CO2): 0,03%; Vapores d água (H2O)...: 0,47%; Outros gases...: 0,50%. Além desses gases, outros materiais particulados (poeira, fuligem etc.), bactérias e odores são encontrados em suspensão na atmosfera, em concentrações diferentes de local para local e conforme mudanças meteorológicas (chuvas, ventos etc.). A movimentação do ar, também chamada de vento, é um fenômeno ocasionado, principalmente, pelas diferenças de temperatura entre as massas de ar. A massa de ar mais fria (com densidade maior), localizada na parte mais alta da atmosfera, tende a deslocar-se para o solo, substituindo a massa de ar mais quente (aquecida pela radiação solar e com densidade menor) que se movimenta para a parte superior. A velocidade e a direção do vento sofrem influência da topografia da região (acidentes geográficos), da vegetação e das edificações. 2.3.4 - O tratamento dos dados meteorológicos A quantificação da variação no tempo, dos dados meteorológicos de uma localidade é feita através de medidas, em estações meteorológicas. Por exemplo, no Brasil, os dados climáticos mais difundidos são as normais climatológicas (1961-1990), publicadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia do Ministério da Agricultura e Reforma Agrária.

Essas normais fornecem dados compostos por valores médios e extremos de dias típicos de verão e inverno. O Núcleo de Pesquisa em Construção (NPC) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) elaborou as cartas bioclimáticas para as principais cidades do Brasil (LAMBERTS, 1997). Estas foram baseadas em modelos desenvolvidos nos Estados Unidos (USA), utilizando, para as localidades estudadas: O Ano Climático de Referência (TRY, do inglês Test Reference Year ), que possui fatores climáticos típicos de um dado local, obtidos através de médias dos seus valores máximos e mínimos, registrados ao longo de muitos anos; As normas climatológicas. 3 - Condições de ocupação O corpo humano processa a queima das calorias existentes nos alimentos pelo processo conhecido como metabolismo. Parte da energia resultante é utilizada na realização de trabalho, o restante dela é transformado em calor. Esse calor, transformado continuamente, deve ser eliminado do corpo por meio de mecanismos termorreguladores, para a temperatura interna do organismo permanecer constante. Se, em determinado momento, a taxa do metabolismo não é compensada pelo calor transferido para o ambiente, ocorre um armazenamento de energia e a temperatura do corpo varia. Além disso, o corpo troca calor com o ar interior e a quantidade trocada depende da: Atividade exercida; Vestimenta utilizada; Temperatura, umidade e movimento do ar interior. 4 - As trocas de ar com o meio ambiente A renovação do ar interior de uma edificação é efetuada para provisão de oxigênio, eliminação do gás carbônico (CO2) e de odores indesejáveis; em geral, é considerada a taxa de renovação conforme a norma ABNT NB-10. A renovação pode ser feita através de portas ou frestas existentes na edificação. Sempre que acontece a renovação, pode ocorrer ganho ou perda de calor, dependendo da temperatura e da umidade do ar no interior e no exterior da edificação. 5 - As condições de operação do sistema de ar condicionado A operação do equipamento de ar condicionado está relacionada à escolha da temperatura do ar no interior da edificação. Para o conforto térmico a norma brasileira ABNT NBR 6401 fornece faixas de valores de temperatura e de umidade relativa do ar para ambientes condicionados. As normas ANSI/ASHRAE 55-92 (ASHRAE 1995) e ISO (International Standardization Organization) 7730 (ISO, 194) fornecem procedimentos para avaliação e 9

estabelecimento das condições ambientais que caracterizam as exigências humanas de conforto térmico. Normalmente, fixa-se uma temperatura T ( setpoint ) dentro da faixa de conforto e se varia a diferença ( T) de temperaturas em torno de T em que o equipamento de ar condicionado vai ligar ou desligar. 6 - Condicionamento do Ar O condicionamento de ar e a ventilação podem ser definidos como processos de controle de qualidade do ar em ambientes, de modo a garantir a saúde dos ocupantes, o pleno funcionamento dos equipamentos nele instalados e a execução de processos industriais de maneira adequada. O condicionamento de ar é um processo que visa ao controle simultâneo, num ambiente fechado, da pureza, umidade, temperatura e movimentação do ar no sentido de proporcionar conforto aos ocupantes do recinto. Ao contrário do que ocorre com a ventilação, não depende das condições climáticas exteriores. É indispensável em: Processos de manufatura que exigem umidade, temperatura e pureza do ar controladas, como a produção de produtos alimentícios, farmacêuticos, salas de desenho de precisão e impressão em cores, por exemplo; Ambientes de trabalho, visando aumentar o conforto dos ocupantes e conseqüentemente sua produtividade; Ambientes onde se exige segurança, isto é, onde se operam produtos tóxicos e inflamáveis dentre os quais pode-se destacar plataformas de produção de petróleo e gás natural; Etapas de produção que exigem controle das reações químicas existentes; Locais onde é necessário eliminar a eletricidade estática para se prevenir incêndios ou explosões; Operações de Usinagem com tolerâncias mínimas; Laboratórios de controle e teste de materiais. Climatizar certos locais não é procurar o conforto ou mesmo um certo luxo, mas uma necessidade de higiene e segurança. Um bom clima acelera a produtividade e intensifica a potência de trabalho do indivíduo. O calor proveniente do metabolismo humano serve para manter constante a temperatura do corpo, o que é indispensável para o desenvolvimento das fases vitais. Uma parte desse calor é cedida ao ambiente. Logo, a temperatura do corpo humano é geralmente mais elevada do que a do ar, que o envolve. O grau em que ocorrem estas trocas térmicas entre indivíduos e o ambiente depende de certos fatores climáticos como a temperatura do ar ambiente, o seu teor de umidade e o seu grau de movimentação. Contudo, apesar de não ser a único objetivo, a maioria das unidades de condicionamento de ar está associada à aplicações de conforto. Sistemas de ar condicionado tornaram-se obrigatórios em instalações que abrigam indivíduos e equipamentos, sendo necessário principalmente durante o verão. Mesmo em países que 10

não apresentam temperaturas elevadas, o sistema necessita remover o calor proveniente de pessoas e dos equipamentos elétricos instalados. Além do condicionamento de ar, existe o sistema de ventilação industrial. A ventilação pode ser definida de maneira simplificada como o processo que consiste da movimentação do ar por meios naturais ou mecânicos, quer introduzindo-se o ar no ambiente (insuflação), quer retirando-se o ar do mesmo (exaustão). Neste processo, o ar entra e sai continuamente de todo o ambiente através das portas, frestas, janelas, pontos de inflação e exaustão, etc...se essa troca de ar é feita de maneira natural, dá-se o nome de ventilação natural e se é causada por ventiladores ou outro meio mecânico qualquer, chama-se de ventilação forçada. Assim como o condicionamento de ar, a ventilação também tem como objetivo principal permitir a execução de processos industriais e proporcionar aos trabalhadores melhores condições de trabalho. Muitas vezes, não se consegue evitar a contaminação dos locais de trabalho de forma natural, mas somente através da instalação de um sistema de ventilação que dilua a concentração de substâncias nocivas neste ambiente, seja este sistema com ventilação natural ou forçada. Com isso, consegue-se conviver com esta atmosfera contaminada por longos períodos de tempo e sem risco à saúde. É evidente que o melhor seria evitar a contaminação do ambiente de trabalho, entretanto, isto nem sempre é possível e deve-se, pelo menos, prover ao ambiente condições que possibilitem a execução do processo industrial. Além disso, outro aspecto importante do sistema de ventilação é em relação à segurança. A ventilação deve ser responsável por minimizar a formação de uma atmosfera explosiva em um ambiente fechado. Para a definição dessas atmosferas, existe um critério relacionado à classificação de áreas, que consiste num método de análise onde atmosferas explosivas podem ocorrer, de forma a permitir a seleção e instalação de equipamentos elétricos e especiais. Divide-se basicamente em três zonas (0, 1 e 2), onde as zonas 0 e 1 devem ser minimizadas em número e extensão no projeto, para que haja uma maior segurança da unidade. Existem basicamente dois modos de ventilação. O método mais eficaz é a ventilação local exaustora, onde se evita que os contaminantes gerados no ambiente se espalhem pelo local. Este tipo de ventilação nem sempre é possível e quando isso ocorre pode-se minimizar os efeitos da contaminação controlando a concentração de poluentes no local de trabalho através da ventilação diluidora, onde ocorre a injeção de ar puro externo ao ambiente. Um exemplo são as coifas. Por tudo exposto anteriormente, como não se trata apenas de uma questão de conforto e sim de riscos à saúde e segurança dos ocupantes, o mau funcionamento dos sistemas de ar condicionado e ventilação pode trazer desconfortos, problemas de saúde e mesmo prejuízos financeiros com a danificação e mal funcionamento de equipamentos, que são cada vez mais sensíveis a condições ambientais descontroladas. 11

7 - Refrigerantes O fluido de trabalho em um sistema de refrigeração é denominado refrigerante. Os refrigerantes podem ser classificados como primários ou secundários. Os refrigerantes primários são geralmente utilizados em sistemas de compressão a vapor. Já os secundários são líquidos usados para transportar energia térmica à baixa temperatura de um local para o outro. Outros nomes para refrigerantes são anticongelantes e salmouras. Os refrigerantes mais comuns são os hidrocarbonetos fluorados, porém outras substâncias em grande número também funcionam como refrigerantes, incluindo muitos compostos inorgânicos e hidrocarbonetos. 7.1 - Compostos Halocarbônicos Os grupos halocarbônicos incluem refrigerantes que contêm um ou mais dos seguintes halogenos: Cloro, Flúor e Bromo. As designações numéricas, os nomes químicos e as fórmulas químicas de alguns dos membros são mostrados na tabela 1. Refrigerantes Halocarbônicos Designação Numérica Número Químico Fórmula Química 11 Tricloromonofluormetano CCl 3 F 12 Diclorodifluormetano CCl 3 F 2 13 Monoclorotrifluormetano CCl F 3 22 Monoclorodifluormetano CHCl F 2 40 Cloreto de Metila CH 3 Cl 113 Triclorotrifluormetano CCl 2 FCClF 2 114 Diclorotetrafluormetano CClF 2 CClF 2 Tabela 1 Refrigerantes Halocarbônicos 7.2 - Compostos Inorgânicos Muitos dos primeiros refrigerantes eram compostos inorgânicos e alguns mantiveram sua proeminência até o presente. Na tabela 2 estão listados alguns destes refrigerantes inorgânicos. 12

Designação Numérica Refrigerantes Inorgânicos Número Químico Fórmula Química 717 Amônia NH 3 71 Água H 2 O 729 Ar 744 Dióxido de Carbono CO 2 764 Dióxido de Enxofre SO 2 Tabela 2 Refrigerantes Inorgânicos OBS. Os últimos dígitos indicam o peso molecular. 7.3 - Hidrocarbonetos Muitos hidrocarbonetos são adequados como refrigerantes especialmente para operar em indústrias de petróleo e petroquímicas. Na tabela 3 estão listados alguns destes refrigerantes inorgânicos. Hidrocarbonetos Refrigerantes Designação Numérica Número Químico Fórmula Química 50 Metano CH 4 170 Etano C 2 H 6 290 Propano C 3 H Tabela 3 Hidrocarbonetos refrigerantes OBS. Mesmo princípio que o esquema dos halocarbonetos é seguido. 7.4 - Azeotropos Uma mistura azeotrópica de duas substâncias é aquela que não pode ser separada em seus componentes por destilação. Um azeotropo evapora e condensa como uma substância simples com propriedades diferentes das de cada um de seus componentes. O azeotropo mais popular é o refrigerante 502, que é uma mistura de 4,% de refrigerante 22 e 51,2% de refrigerante 115. As Pressões de operação devem ser baixas o suficiente para os vasos e tubos leves que contêm os refrigerantes. Porém sabemos que pressões abaixo da pressão atmosférica, 13

que ocorrem nos evaporadores de refrigerante 11, têm a desvantagem de arrastar o ar para o evaporador quando ocorrem vazamentos. Os sistemas que usam este refrigerante devem ser equipados com um purgador para eliminar qualquer infiltração de ar. Uma relação de pressão baixa é desejável do ponto de vista de qualquer tipo de compressor, seja alternativo, ou de parafuso ou centrífugo. O efeito de refrigeração poderia ser à primeira vista um bom indicador de eficiência do ciclo, mas esta propriedade precisa ser considerada em combinação com o trabalho do compressão. O refrigerante 717 ( Amônia ), por exemplo, tem um efeito de refrigeração muito maior que os outros refrigerantes, entretanto o trabalho de compressão da amônia é também alto, de forma que seu CDE ( Coeficiente de Eficácia) é da mesma ordem de magnitude de outros refrigerantes citados. Um outro fator considerável na seleção do refrigerante num sistema é a sua combinação com o óleo. Não é desejável nenhuma relação química entre o refrigerante e o óleo lubrificante do compressor, mas a miscibilidade do óleo e o refrigerante são motivos preocupantes. Em compressores alternativos e de parafuso um pouco do óleo é arrastado do compressor pelo gás refrigerante de descarga. Este óleo passa pelo condensador e vai para o evaporador, onde o refrigerante se vaporiza, deixando o óleo que vai reduzir a eficiência de transferência de calor do evaporador. Vários procedimentos são disponíveis para evitar que o óleo chegue ao evaporador, ou para removê-lo depois de sua coleta. Um separador de óleo localizado na linha de descarga remove o óleo continuamente e o retorna ao compressor. O refrigerante 12 e o óleo são miscíveis, enquanto o refrigerante 22 é parcialmente miscível com o óleo. O óleo no evaporador de um sistema com refrigerante 12 não é tão prejudicial à transferência de calor, como ocorre em um sistema com amônia onde ele se separa. O óleo pode ser drenado de evaporadores de amônia, mas em sistema com refrigerante 12 a velocidade na linha de aspiração precisa ser alta para arrastar o óleo de volta para o compressor. A popularidade dos vários refrigerantes aumenta e diminui ao longo dos anos: O refrigerante 12 foi o mais usado sendo suplantado pelo 22 por apresentar menor vazão em volume por unidade de capacidade. Recentemente o refrigerante 502 tem se tornado popular porque apresenta vazões em volume comparáveis ao refrigerante 22, apesar do óleo ser mais miscível nele e apresenta menores temperaturas de descarga. Quando ocorre um vazamento em um sistema de refrigeração, o refrigerante pode vir a entrar em contato com o produto, tal como alimento. Os halocarbônicos são geralmente considerados como tendo efeitos negligenciáveis sobre alimentos, peles, ou tecidos para curtas exposições. Exposições prolongadas à amônia podem resultar em impregnação de gosto, cheiro de amônia no alimento, apesar que deve ser lembrado que pequenas quantidades de amônia ( 0,01 a 0,1% ) estão naturalmente presentes nos alimentos. A reação de um refrigerante com um material usado nas tubulações, vasos e compressores em geral não influem na seleção do refrigerante, mas o refrigerante usado frequentemente determina o material empregado no sistema. Certos metais podem ser atacados por refrigerantes: A amônia, por exemplo, reage com o cobre, latão ou outras ligas de cobre na presença de água. O ferro e aço são portanto usados em sistemas de 14

amônia. Os halocarbônicos podem reagir com Zinco, mas não com o Cobre, Alumínio, Ferro ou Aço. Na presença de uma pequena quantidade de água no entanto, os halocarbônicos formam ácidos que atacam a maioria dos metais. Os halocarbônicos atacam borracha natural, portanto material sintético deve ser usado como gaxetas e outros elementos de vedação. 7.5 - Depleção da camada de ozônio Na década de 70 deu-se o alarme, que o cloro de hidrocarbonetos halogenados liberados para o meio ambiente estava destruindo a camada de ozônio da estratosfera. Uma redução desta camada permite que mais radiação ultravioleta atinja a atmosfera terrestre, podendo causar câncer. As reações iniciais a essa advertência foram de não mais utilizar esses halocarbônicos ofensivos como prepotente em recipientes com aerosol e de reduzir sua aplicação em espuma isolante. Apesar da aplicação de halocarbônicos como refrigerantes ser apenas um dos usos dessas substâncias, em termos mundiais quantidades consideráveis são utilizadas para fins de refrigeração, e a resposta imediata da indústria de refrigerantes foi de aprimorar os procedimentos para evitar vazamento para a atmosfera. Os refrigerantes 11 e 12, com seus três e dois átomos de cloro respectivamente, têm um impacto maior que o refrigerante 22 que tem um átomo de cloro. Nos próximos anos, haverá uma forte tendência de controle dessa situação e uma necessidade de proteção do meio ambiente pode demandar cuidados ainda maiores sejam exercidos e/ou novos refrigerantes sejam empregados. A tabela 4 lista os refrigerantes comuns e seus respectivos dados relativos às suas influências sobre a Camada de Ozônio. Potencial Deteriorante da Camada de Ozônio relativo ao CFC - 11 Símbolo Refrigerante Nome/ composição PDCO* Permanência atmosférica (anos) CFC-11 R-11 Tricloromonofluormetano 1.0 60 CFC-12 R-12 Diclorodifluormetano 1.0 120 CFC-113 R-113 Triclorotrifluormetano 0. 90 HCFC-22 R-22 Monoclorodifluormetano 0.05 120 R-502 Combinação de HCFC-22 e CFC-115 0.34 Halon H1211 CF 2 CIB r 3.0 25 Halon H1301 CF 2 B r 10.0 110 Halon H2402 C 2 F 4 B r 6.0 2 Tabela 4 Potencial deteriorante da Camada de Ozônio relativo ao CFC -11 15

A tabela 5 lista os substitutos principais dos refrigerantes comuns e seus respectivos dados relativos às suas influências sobre a Camada de Ozônio. Potencial Deteriorante da Camada de Ozônio relativo ao CFC - 11 Símbolo Refrigerante Nome/ composição PDCO* Permanência Atmosférica (anos) HCFC-123 R-123 2,2-dicloro-1,1,1-tricloroetano 0.02 2 HFC-134a R-134a 1,1,1,2- Tetrafluoretano 0 16 R-401A R-401B Combinação de HCFCs 22/124 e HFC-152a (53/34/13 %peso) Combinação de HCFCs 22/124 e HFC-152a (61/2/11 %peso) 0.036 0.04 R-402A R-402B R-404A R-406A R-407A R-407C R-40A R-409A Combinação de HCFCs 22/125 e propano (3/60/2 %peso) Combinação de HCFCs 22/124 e propano (60/3/2 %peso) Combinação de HFCs 125/134a e 143a (44/4/52 %peso) Combinação de HCFCs 22/124 e isobutano (55/41/4 %peso) Combinação de HCFCs 32/125/134a (20/40/40 %peso) Combinação de HFCs 32/125/134a (23/25/52 %peso) Combinação de HCFCs 22/124 e HFC-152a (53/34/13 %peso) Combinação de HCFCs 22/124/142b (60/25/15 %peso) 0.021 0.033 0 0.057 0 0 0.026 0.04 R-410A Combinação de HFC 32/125(50/50 %peso) NH 3 R-717 Amônia 0 Inferior a 1 CH(CH 3 ) 3 R-600a Isobutano 0 Inferior a 1 HC-290 R-290 Propano 0 Inferior a 1 Tabela 5 - Potencial deteriorante da Camada de Ozônio relativo ao CFC -11 dos refrigerantes alternativos. 7.6 - Base de escolha de Refrigerantes As características dos refrigerantes citados anteriormente são fatores determinantes na sua escolha. 0 16

7.6.1 - Propriedades de um bom refrigerante: - As pressões de operação devem ser baixas o suficiente para utilizar tubulações de paredes finas; - Pressões acima da pressão atmosférica, para evitar entrada de ar no sistema quando ocorre algum vazamento; - Baixa temperatura de evaporação; - Produzir o máximo de refrigeração para uma quantidade de vapor Movimentado; - Baixo HP/TR; - Não ser tóxico; - Não ser explosivo; - Não ser corrosivos; - Não produzir danos aos produtos armazenados no frigorífico caso ocorram fugas do refrigerante; - Interessante possuir odor forte e coloração, para fácil identificação de Vazamentos; - Possuir baixa viscosidade; - Possuir alta condutibilidade térmica; - Possuir baixo custo; - Possuir boa estabilidade química (não se decomporem em altas temperaturas); 7.7 - Aplicações de Refrigerantes: - Ar : O maior uso do ar como refrigerante é em aviões, onde o peso reduzido de um sistema a Ar compensa seu baixo CDE; - Amônia: Grandes instalações industriais de baixa temperatura. Muitos sistemas de amônia entram em operação a cada ano; - Dióxido de carbono : Utilizado algumas vezes para congelamento de alimentos por contato direto. A sua pressão de condensação alta normalmente limita sua aplicação à parte de baixa temperatura de um sistema em cascata, onde um refrigerante diferente opera na seção de alta temperatura ; - Refrigerante 11: Popular para sistemas com compressores centrífugos; 17

- Refrigerante 12 : Usado para compressores alternativos para serviço em equipamentos domésticos de refrigeração e em condicionadores de ar automotivos; - Refrigerante 22 : Necessita de compressores menores que o refrigerante 12, logo sendo compressores mais baratos e por este motivo tem substituído o refrigerante 12 em muitas aplicações de ar condicionado; - Refrigerante 502 : É um dos refrigerantes que exibe algumas vantagens do refrigerante 22 e apresenta vantagens adicionais de melhor comportamento com óleo e temperatura de descarga do compressor inferiores às do refrigerante 22. 7. - Refrigerantes Secundários Refrigerantes secundários são fluidos que transferem energia da substância que está sendo resfriada para o evaporador de um sistema de refrigeração. O refrigerante secundário sofre uma variação na temperatura quando absorve calor e o libera no evaporador, não apresentando nenhuma mudança neste processo. Para todos os anticongelantes a sua adição na água tem um efeito adverso sobre a perda de carga e a transferência de calor. Os anticongelantes de alta concentração têm alta viscosidade, baixa condutibilidade térmica, baixo calor específico, todos os fatores prejudiciais. Uma boa regra de operação, portanto é a de concentrar o anticongelante não mais do que o necessário para evitar seu congelamento. - Ciclo Padrão de Compressão a Vapor O objetivo nesta fase é representar o ciclo de refrigeração por compressão de vapor através do esquema a seguir para compreendermos o sistema de Ar Condicionado convencional e possamos comparar com o novo sistema que utiliza a água do mar como refrigerante. O refrigerante entra no compressor como vapor ligeiramente superaquecido à baixa pressão (ciclo real). O vapor é descarregado do compressor e entra no condensador como vapor numa pressão elevada onde a condensação do refrigerante é obtida pela transferência de calor para a água de refrigeração ou para o meio. O refrigerante deixa o condensador, como líquido, a uma pressão elevada. Sua pressão é reduzida ao escoar pela válvula de expansão, resultando numa evaporação instantânea de parte do líquido. O líquido restante, agora a baixa pressão, é vaporizado no evaporador. Esta vaporização é o resultado da transferência de calor do espaço que esta sendo refrigerado para o fluido refrigerante. Após esta operação o vapor retorna para o compressor. O diagrama temperatura-entropia do ciclo padrão de compressão a vapor é mostrado na figura abaixo. Os processos do ciclo serão: 1-2 Compressão adiabática reversível desde o estado de vapor saturado até a pressão de condensação. 2-3 Rejeição reversível de calor à pressão constante, diminuindo a temperatura do refrigerante inicialmente e condensando-o depois. 1

3-4 Expansão irreversível de calor à entalpia constante desde o estado de líquido saturado até a pressão de evaporação. 4-1 Ganho de Calor à pressão constante, produzindo a evaporação do refrigerante até o estado de vapor saturado. Gráfico 2 Ciclo Padrão de compressão a vapor Figura 1 Esquema do Ciclo Padrão Figura 2 Representação do ciclo de R-12.1 - Propriedades dos Refrigerantes Outras propriedades termodinâmicas são necessárias para o trabalho de refrigeração. Todos os refrigerantes típicos dos sistemas de compressão a vapor apresentam 19

características semelhantes, embora os valores numéricos das propriedades possam variar com o refrigerante. O diagrama pressão-entalpia é geralmente utilizado. Em outras áreas de aplicação termodinâmica os diagramas temperatura-entropia, pressão-volume ou entalpia-entropia são mais populares. Em aplicações frigoríficas a entalpia é uma das propriedades mais importantes e a pressão pode ser determinada facilmente. O diagrama pressão-entalpia é mostrado na figura 4 com a pressão no eixo das ordenadas e a entalpia no eixo das abcissas. Tendo como referência as linhas de vapor e líquido saturado, as linhas isotérmicas, isoentrópicas e de volume específico constantes são incluídas neste diagrama. A linha isotérmica é horizontal na região de mudança de fase, uma vez que a uma dada pressão de saturação corresponde a uma só temperatura. Nessa região a isotérmica é praticamente vertical. Assim, a entalpia pode ser determinada a partir da temperatura, independentemente da pressão, o que vem a confirmar a prática geral de utilização das tabelas de vapor de água a pressões moderadas. A entalpia da água líquida subresfriada é aproximadamente igual à entalpia do líquido saturado à mesma temperatura, embora a pressão seja maior que a de saturação. A região de vapor superaquecido situa-se à direita da linha de vapor saturado. Nessas regiões, a linha isotérmica cai gradualmente para a direita e depois verticalmente. Quando a isotérmica torna-se vertical, h = (Constante )( t), que é a relação entre a entalpia e a temperatura para um gás perfeito. A linha de volume específico constante posiciona-se na direção ascendente, para a direita. Linhas de volume específico maior correspondem a pressões gradualmente menores. A linha isoentrópica localiza-se em posições ascendentes, para a direita. Uma compressão adiabática e reversível, portanto isoentrópica, apresenta um aumento de entalpia à medida que a pressão cresce durante o processo. Figura 3 Diagrama pressão x entalpia 20

Figura 4 - Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22) O aspecto de um ciclo padrão de compressão a vapor em um diagrama pressão-entalpia é mostrado na figura 3 e 4 junto com o esquema da figura 2. O processo 1-2 é a compressão isoentrópica, desde o estado de vapor saturado até a pressão de condensação ao longo de uma linha isoentrópica. O processo 2-3 corresponde a uma diminuição de temperatura seguida de condensação à pressão constante, aparecendo como uma linha reta horizontal no diagrama pressão-entalpia. O processo 3-4 é a expansão isoentálpica, aparecendo com uma linha vertical. Finalmente, o processo 4-1 aparece como uma linha reta horizontal porque o escoamento do refrigerante pelo evaporador ocorre à pressão constante. Figura 5 Ciclo de compressão Figura 6 Representação do ciclo a vapor 21

.2 - Desempenho de um ciclo padrão de compressão a vapor Os parâmetros importantes de um ciclo padrão de compressão a vapor podem ser determinados pelo diagrama pressão-entalpia. Esses parâmetros são o trabalho de compressão, a taxa de rejeição de calor, o efeito de refrigeração, o coeficiente de eficácia, a vazão em volume de refrigerante por quilowatt de refrigeração. O trabalho de compressão, em quilojoules por quilogramas (KJ/Kg), é a variação de entalpia no processo 1-2 da figura abaixo ou h 1 h 2. Essa relação resulta da equação da energia em regime permanente. Onde as variações de energia cinética e potencial são desprezadas. Como na compressão o calor é trocado q 1 é nulo, w é igual a h 1 h 2. A diferença de entalpia é negativa, indicando que o trabalho é realizado sobre o sistema. Embora o compressor possa ser do tipo alternativo, onde o escoamento é intermitente em vez de permanente, o processo 1-2 representa a ação do compressor. Na curta distância do compressor as flutuações são amortecidas e o escoamento aproxima-se do regime permanente na tubulação. O conhecimento do trabalho de compressão é importante, uma vez que ele pode ser o responsável pelo maior custo operacional do sistema. A rejeição de calor em kj/kg, é o calor transferido do refrigerante no processo 2-3, dado por h 3 h 2, resultado obtido da equação da energia em regime permanente, em que foram desprezadas a energia cinética e potencial. O valor de h 3 h 2 é negativo, indicando que o valor é transferido do refrigerante. O valor do calor cedido pelo refrigerante pode ser usado no dimensionamento do condensador e na determinação da vazão do fluido de resfriamento no condensador. O efeito de refrigeração, em kj/kg, é o calor trocado no processo 4-1, ou, cujo conhecimento é necessário, uma vez que esse processo representa o objetivo principal do sistema. O coeficiente de eficácia do ciclo padrão de compressão a vapor é a razão entre o efeito de refrigeração e o trabalho de compressão. 22

Geralmente a vazão em volume do refrigerante é referida ao estado representado pelo ponto 1, na entrada do compressor. A vazão em volume proporciona uma idéia aproximada do tamanho do compressor. Quanto maior a vazão em volume, maior deve ser o deslocamento do compressor em metros cúbicos por segundo. A potência por quilowatt de refrigeração é o inverso do coeficiente de eficácia. Um sistema frigorífico eficiente deve apresentar um baixo valor da potência por kw de refrigeração, mas um alto coeficiente de eficácia. No projeto proposto não é necessária uma comparação entre o coeficiente de eficácia do método convencional (expansão direta) e o método de refrigeração utilizando água do mar, pois a grande vantagem do sistema novo seria a utilização da água do mar como líquido refrigerante e com isso estaríamos considerando a preservação do meio ambiente. 9 - Sistema de Refrigeração utilizando água do mar em lâminas d água profundas Anteriormente foi estudado o sistema de expansão direta, estes sistemas compreendem os processos de condicionamento de ar em que a unidade evaporadora do ciclo frigorífico retira calor diretamente do meio a ser condicionado. Normalmente, este tipo de sistema é utilizado em pequenas e médias instalações, onde a carga térmica é inferior a 30 TR s (Toneladas de Refrigeração, sendo que 1 TR corresponde a aproximadamente 3,516 KW). São exemplos deste tipo de sistemas os aparelhos de janela (instalados em residências), os Self Contained e as unidades Split System. Em instalações de grande porte e unidades de produção, por acabarem requerendo um grande espaço físico para a passagem dos dutos de ar condicionado, não estão mais sendo utilizados nas novas instalações. A medida mais efetiva para reduzir a emissão global de Dióxido de Carbono (CO 2 ), pode ser a substituição do refrigerante em sistemas de refrigeração pela água do mar quando e onde for possível. Mas o aspecto principal é o aquecimento global, e o aspecto secundário é o econômico. O sistema propõe a utilização do sistema de expansão indireta. Este sistema compreende os processos de refrigeração em que a água gelada é o meio de transporte da potência frigorígena, sendo que os equipamentos de geração (chillers, centrífugas etc...) resfriam a água que será utilizada como fluido térmico intermediário para posteriormente realizar a troca térmica com o ar no ambiente a ser condicionado. Normalmente, este tipo de sistema é adotado em instalações com carga térmica superior a 30 TR s. Água sob lâminas d água profundas são consideradas como valioso recurso energético oceânico. Nos últimos 20 anos, pesquisas e experimentos têm sido direcionados para a Conversão de Energia Térmica Oceânica. Com este empenho particular, surge sistema satisfatório economicamente: Sistema de Refrigeração Utilizando Água do Mar. Esta é a possibilidade técnica e econômica de sistema atual, baseada na utilização da energia infinita e na ausência de impactos ambientais. Logo Sistemas de refrigeração em várias instalações trabalhando com água numa temperatura equivalente a encontrada 23

em lâminas d água profundas, o conceito do uso da água do mar em baixas temperaturas com esse objetivo é obvio. O progresso deste sistema possui alguns obstáculos como incertezas técnicas e econômicas associadas com os requisitos das redes de tubulação e falta de conhecimento relativo a perdas na troca de calor e corrosão. Durante a última década, pesquisas de conversão de energia térmica oceânica tem eliminado estas incertezas. 9.1 - Extensão ideal da rede de tubulação para conversão de energia térmica oceânica A rede de tubulação tem dimensões idealizadas para diversos sistemas de refrigeração utilizando água do mar. Vários testes de troca de calor tem mostrado que a perda de temperatura não é problema em lâminas d água profundas e a corrosão pode ser eliminada com o Titânio e aços especiais, dentre os quais destaca-se o inox, duplex e supra duplex. 9.2 - Método de Refrigeração utilizando Água do Mar No primeiro cenário gerado, nós mostramos um sistema de refrigeração que poderia suprir diversas instalações. Temperaturas típicas de trabalho são da ordem de 13,4 o C na condição de água do mar e 6 o C na condição do looping de água doce após resfriamento passar pelo trocador de calor. O sistema todo é completamente simplificado e inclui: - Água do Mar suprindo o sistema incluindo rede de tubulação, Bombas, Tubulação de Descarga. - Água doce circulando na rede, incluindo bombas. Esta rede abastece com água resfriada cada instalação. - Trocadores de calor transferindo calor do looping água doce para água salgada. Devido a economia de escala, o sistema de refrigeração utilizando água do mar é mais apropriado para suprir diversas instalações ou hotéis na região da costa. Para servir diversas pessoas, o sistema de distribuição de água precisa ser instalado fornecendo água à baixas temperaturas para todas instalações. Assim o sistema pode ser facilmente instalado com o mínimo aumento de temperatura em águas resfriadas. Com a extensão do isolamento adicionado nos dutos plásticos, água à baixas temperaturas pode ser distribuída por vários quilômetros desprezando aumento de temperatura. Os componentes do sistema de refrigeração dentro das instalações são convencionais e não podem ser alterados para o sistema de refrigeração utilizando água do mar. Como resultado, instalações existentes podem ser convertidas para o sistema de refrigeração utilizando água do mar simplesmente desviando rede de tubulação existente para unidades resfriadoras. Se desejável, unidades resfriadoras reservas podem ser usadas para auxiliar a refrigeração. A economia de potência do sistema de refrigeração utilizando água do mar pode ser significantes. 24

Figura 7 Esquema do método proposto sem unidades resfriadoras O esquema da figura 7 mostra os loopings de água doce e água salgada para um amplo sistema centralizado de refrigeração utilizando água do mar resfriada captada à aproximadamente 250 metros de profundidade. O sistema centralizado de refrigeração utilizando água do mar é acoplado com bomba convencional para operar nas mais altas temperaturas de entrada da água do mar. Figura - Esquema do método proposto com unidades resfriadoras Em algumas regiões a água do mar é considerada insuficientemente gelada para abaixar completamente a água doce sendo necessário otimizar a temperatura (estas são determinadas por um controle de umidade). Neste caso, a unidade resfriadora pode ser 25

instalada com o trocador de calor resfriando a água doce primeiro, seguido pela unidade resfriadora, conforme mostra figura. As acomodações numa determinada distância adequada são de mesma natureza que as acomodações refrigeradas com o sistema convencional de ar condicionado. A água doce resfriada percorre por estas acomodações com a mesma temperatura e fluxo do sistema convencional. O sistema de refrigeração centralizado proposto na figura 7, todavia, não possui o looping da unidade resfriadora no sistema de refrigeração. As baixas temperaturas no looping da unidade resfriadora são mantidas pela passagem desta água doce pelo trocador de calor com o fluido primário de água do mar gelada. Os dois fluidos passam por superfícies de placas de titânio ou trocador tubular que transfere calor de um fluido para o outro sem que haja mistura. O oceano fornece água salgada na temperatura abaixo da temperatura mantida na unidade resfriadora. Uma vez que passa pelo trocador de calor, a água salgada retorna ao mar através de dutos. Os principais componentes do sistema básico de refrigeração utilizando água do mar são o sistema de distribuição de água do mar, trocadores de calor ou unidade resfriadora e o sistema de distribuição de água doce. Estes componentes básicos podem ser otimizados para cada clima local e acomodações específicas. Para grandes instalações utilizando um sistema convencional, o fluxo constante de água doce resfriada circula pelas acomodações para remover calor. Como esta água resfriada percorre as acomodações e absorve calor, esta temperatura aumenta do valor de entrada de aproximadamente 6 o C para um fluxo de aproximadamente 35 o C. Esta água aquecida entra na unidade resfriadora, o sistema de refrigeração que resfria a água doce de recirculação. Água entra no resfriador com a temperatura nominal entre 13-14 o C e sai com 6 o C. O fluxo de água percorre as acomodações de acordo com a demanda e temperatura que deixa a unidade resfriadora constante. O consumo elétrico da unidade resfriadora depende das bombas de água resfriada e aquecida. Figura 9 - Chiller Unit Unidades Resfriadoras Os chillers são usados refrigerar um meio (ar, água ou a outra substância dependendo de como o chiller está sendo usado). No projeto proposto utiliza resfriadores de água, mas os mesmos aplicam-se para outros tipos de resfriadores também. Em edifícios comerciais e em outros tipos de acomodações ( como de plataformas offshore e de 26

embarcações), os chillers são usados remover o calor e a umidade e mantendo determinado local numa temperatura desejada. Um outro uso para o resfriador de água seria refrigerar um equipamento ou remover o calor de produtos. 9.3 - Operação Básica do resfriador Os chillers têm algumas peças básicas que permitem utilizar um refrigerante para refrigerar um meio em níveis apropriados. O compressor conduz o refrigerante no estado de vapor a baixa temperatura e em uma baixa pressão e comprimindo-o a uma alta pressão. No processo, o calor gerado faz com que o refrigerante no estado de vapor fique completamente quente ao sair do compressor. Este vapor refrigerante quente move-se para o condensador, onde é refrigerado. O condensador é simplesmente um trocador de calor que utiliza o ar ou a água (geralmente de uma torre refrigerando) refrigerar o vapor, fazendo com que se condense ou passe para o estado líquido. Neste momento, o refrigerante está a uma alta pressão, líquido morno. O refrigerante sai do condensador para uma válvula da expansão, que seja a barreira entre os lados de alta e baixa pressão do sistema. Enquanto o líquido de alta pressão passa através da válvula, passa para o evaporador onde o líquido da pressão baixa se evapora tornando-se vapor novamente. Enquanto evapora, o refrigerante produz um grande efeito de refrigeração que absorve o calor do looping de água do resfriador ou do outro meio. O vapor de baixa pressão quente flui então ao compressor para terminar o ciclo, e a água resfriada ou o outro meio são bombeados para fora para ser usados. Figura 10 Esquema do chiller 27

9.4 - Demanda Térmica Para seleciona o trocador de calor a ser utilizado no sistema devemos determinar a carga térmica. Foi considerada uma plataforma fixa contendo dois módulos de acomodações conforme a figura 11. Figura 11 Plataforma considerada 2

Figura 12 Exemplo de plataforma A plataforma considerada possui 4 camarotes de acomodação, com capacidade para 4 pessoas, com unidades de banheiro, hall, corredor, sala de estar, sala de VAC, Sala de painéis elétricos, e espaços reservados para passagem de cabos elétricos e dutos de VAC, em 2 módulos de construção de Alumínio. Os módulos contém 3 deck s nos quais estão arranjados os itens citados anteriormente. Área de cada deck: Módulo B 1 Deck A= 214,5 m 2 10 camarotes Módulo B 2 Deck A= 214,5 m 2 10 camarotes Módulo B 3 Deck A= 214,5 m 2 10 camarotes Módulo A 1 Deck A= 195 m 2 4 camarotes Módulo A 2 Deck A= 195 m 2 7 camarotes Módulo A 3 Deck A= 195 m 2 7 camarotes Na figura 14 foi representado o arranjo dos módulos A e B ( vista lateral ) : Figura 13 Vista lateral dos módulos A e B 29

Arranjo do Módulo A ( Vista frontal ): Viabilidade econômica Figura 14 Vista Frontal do módulo A 30

Arranjo do Módulo B ( Frontal ): Figura 15 Vista Frontal do módulo B 31

Figura 16 Representação dos Camarotes 9.5 - Cálculo da Carga Térmica A carga térmica é a quantidade de calor sensível e latente, geralmente expressa em BTU/h ou Kcal / h, que deve ser retirada ou colocada no recinto a fim de proporcionar as condições de conforto desejadas. Esta carga térmica pode ser introduzida no recinto a condicionar por: - Condução; - Insolação; - Tubulação; 32

- Pessoas; - Equipamentos; - Infiltração; - Ventilação. 9.5.1 - Carga de condução Calor Sensível No cálculo, a condução de calor através de chapas de alumínio, em paralelo com o isolamento térmico foi estimado através do seguinte procedimento: e espessura da chapa em metros k condutividade térmica do material em Kcal/sm C-k R condutância de material = e / k U = 1/ ( R chapa + R isolamento + h Filme de Ar interno parado + h Filme de ar externo a 24 Km/h ) D diferença de temperatura ar exterior e interior = Q = calor em kcal/h A.U.D Estes cálculos foram feitos pras anteparas de teto, anteparas longitudinais e transversais de cada camarote. Considerando também o piso com manta borrachada: e espessura da chapa em metros k condutividade térmica do material em Kcal/sm C-k R = e / k U coeficiente global de transmissão de calor = 1/ ( R chapa + R isolamento + 2.h Filme de Ar interno parado ) D diferença de temperatura ar exterior e interior = Q fluxo de calor em kcal/h = A.U.D 33

9.5.2 - Carga devido à insolação Calor sensível Devido ao isolamento termo-acústico das anteparas dos módulos, foi desconsiderada a carga devido ao sol, apenas considerando nas janelas de vidro. e espessura do vidro em metros k condutividade térmica do material em Kcal/sm C-k R = e / k U coeficiente global de transmissão de calor = 1/ ( R janela ) D diferença de temperatura ar exterior e interior = Q fluxo de calor em kcal/h = A.U.D 9.5.3 - Carga devido à tubulação - calor sensível : C - Carga Térmica devido a tubulação de água quente a 2 C = 12,5 W/ m ( duto de 1 isolado com fibra de vidro) L Comprimento da tubulação Q fluxo de calor em kcal/h = C.L.0,60 Água Quente a 2 C Polegada mm Sem isolamento Isolamento com asbestos 1 Polegada ( K = 0,60) Fibra de vidro 1 Polegada ( K=0,27) 1/2 13 53,73 19,20,60 3/4 19 65,30 24,00 11,50 1 25 0,60 27,0 12,50 1 1/4 32 99,0 31,70 14,40 1 1/2 3 112,30 35,50 16,30 2 50 13,20 40,30 1,20 2 1/2 63 165,10 47,00 21,10 3 75 197,0 54,70 25,00 4 100 249,60 66,20 30,70 Tabela 6 Carga térmica devido às tubulações quentes em watts por metro linear 34

9.5.4 - Carga devido às pessoas calor sensível e latente : Q fluxo de calor em kcal/h = total de watts no SI De acordo com a Norma NBR-6401 (197) o calor liberado por 1 pessoa na condição de exercício físico moderado seria 166,1 Kcal / h Gráfico 3 Taxa de Ocupação diária da Sala de reunião Gráfico 3 Taxa de Ocupação diária da Sala de Recreação Gráfico 4 Taxa de Ocupação diária da Sala de reunião 35

Gráfico 5 Taxa de Ocupação diária dos escritórios Gráfico 6 Taxa de Ocupação diária do Ginásio diária do ginásio Gráfico 7 Taxa de mudança de salas 36

Gráfico Taxa de Ocupação diária da sala de cinema Gráfico 9 Taxa de Ocupação diária nos camarotes Gráfico 9 Taxa de Ocupação diária dos camarotes Gráfico 10 Taxa de transito nos corredores 37

Gráfico 11 Taxa de ocupação no refeitório Foram considerados a partir dos gráficos das taxas de ocupação em função do tempo de trabalho por dia o número máximo de pessoas por camarote (4). 9.5.5 - Carga devido a equipamentos - Iluminação : Q fluxo de calor em kcal/h = total de watts no SI 1 W-h = 60/1000 Kcal Q = 0,60. Pot (watts), N lâmpadas N lâmpadas Número de Lâmpadas 9.5.6 - Carga devido a infiltração calor sensível e latente : Método de trocas de ar: q s fluxo de calor sensível em kcal/h Q Vazão de ar em m 3 /h t e t temperaturas do ar interior e exterior em C; q s = Q.0,29. (t t ) Método de trocas de frestas: UE- umidade específica do ar interior e exterior em Kg/Kg Ar interior 25 C e 0,011 kg/kg de ar seco; Ar exterior 32 C e 0,021 kg/kg de ar seco; 3

q l Calor latente em Kcal/h γ peso específico do ar em kg/m 3 = 1,2 kg/m 3 Q Vazão de ar em m 3 /h Infiltração de ar por janelas comuns 3 m 3 /h / metro de fresta Infiltração de ar pelas portas 4 m 3 /h por pessoa no recinto condicionado C = (UE2 UE1 ). γ. Q q l = 53. C 9.5.7 - Carga devido a ventilação calor sensível e latente : Método de trocas de ar: q s fluxo de calor sensível em kcal/h Q Vazão de ar em m 3 /h t e t temperaturas do ar interior e exterior em C; q s = Q.0,29. (t t ) Método de trocas de frestas: UE- umidade específica do ar interior e exterior em Kg/Kg Ar interior 25 C e 0,011 kg/kg de ar seco; Ar exterior 32 C e 0,021 kg/kg de ar seco; q l Calor latente em Kcal/h γ peso específico do ar em kg/m 3 = 1,2 kg/m 3 Q Vazão de ar em m 3 /h Ar exterior para ventilação 13 m 3 / h ( norma NBR-6401) C = (UE2 UE1 ). γ. Q q l = 53. C Considerando os fatores citados anteriormente, devemos calcular o fluxo de calor para cada camarote considerando seus elementos. 39

9.5. - Configuração do Módulo B 1 Deck Figura 17 módulo B 1 Deck 40

9.5.9 - Configuração do Módulo B 2 Deck Figura 1 módulo B 2 Deck 41

9.5.10 - Configuração do Módulo B 3 Deck Figura 19 - módulo B 3 Deck 42

9.5.11 - Configuração do Módulo A 1 Deck Figura 20 - módulo A 1 Deck 43

9.5.12 - Configuração do Módulo A 2 Deck Figura 21 - módulo A 2 Deck 44

9.5.13 - Configuração do Módulo A 3 Deck Figura 22 - módulo A 3 Deck 45

9.5.14 - Cálculo da carga térmica Os cálculos da demanda térmica do 1 Deck do módulo B foram baseados na figura 17 considerando o dimensionamento dos camarotes, assim como materiais que compõem a estrutura conforme mostra a legenda, através dos fatores que determinam a carga témica citados anteriormente ( Condução de calor, insolação, dutos, ocupação de tripulação, equipamentos e ventilação). Estes cálculos são vistos na tabela 19 do anexo A. Q 1 Deck mód. B = 25.599,1 Kcal / h Os cálculos da demanda térmica do 2 Deck do módulo B foram baseados na figura 1. Estes cálculos são vistos na tabela 20 do anexo A. Q 2 Deck mód. B = 25.599,1 Kcal / h Os cálculos da demanda térmica do 3 Deck do módulo B foram baseados na figura 19. Estes cálculos são vistos na tabela 21 do anexo A. Q 3 Deck mód. B = 25.599,1 Kcal / h Os cálculos da demanda térmica do 1 Deck do módulo A foram baseados na figura 20. Estes cálculos são vistos na tabela 22 do anexo A. Q 1 Deck mód. A = 13.097,24 Kcal / h Os cálculos da demanda térmica do 2 Deck do módulo A foram baseados na figura 21. Estes cálculos são vistos na tabela 23 do anexo A. Q 2 Deck mód. A = 20.60,0 Kcal / h Os cálculos da demanda térmica do 3 Deck do módulo A foram baseados na figura 22. Estes cálculos são vistos na tabela 24 do anexo A. Q 3 Deck mód. A = 20.60,0 Kcal / h Logo somando as cargas térmicas dos módulos A e B para os 3 Decks temos a carga térmica total da plataforma. Carga Térmica Total 131.110,95 Kcal / h Carga Térmica Total 43,36 TR 46

10 - Condições Ambientais: Bacia de Campos RJ 10.1 - Temperatura Atmosférica da região Após determinar a demanda térmica, devemos estabelecer as condições de conforto ambiental estabelecidas a partir da norma NBR-6401: Verão Temperatura de Bulbo Seco ( C) 32 Umidade Relativa (%) 50 Tabela 7 Condições de temperatura e umidade relativa de verão Inverno Temperatura de Bulbo Seco ( C) 1 Umidade Relativa (%) 75 Tabela Condições de temperatura e umidade relativa de inverno Condições do Sistema de Ar Condicionado Temperatura de Bulbo Seco ( C) 24 Umidade Relativa (%) 50 Tabela 9 Condições de temperatura e umidade do sistema de ar condicionado Outro fator importante seria as condições ambientais do local de operação da Plataforma. Foi adotada a região da Bacia de Campos, cujas temperaturas atmosféricas foram representadas em um determinado período no gráfico 13 do anexo B. 10.2 - Temperatura da água do Mar sob determinadas profundidades Foi necessário um estudo da temperatura da água do mar na bacia de campos em determinados níveis de profundidade para sintetizar as condições ambientais da região a fim de estabelecer a temperatura de saída da água doce pois será utilizado um trocador de calor que irá trocar o calor da água do mar gelada com a água doce que percorrerá as acomodações da plataforma resfriando os camarotes. Com auxílio do programa da NOAA (National Oceanic and Atmospheric administration), foi possível o monitoramento das condições ambientais, através de gráficos de das linhas de temperatura sob determinadas profundidades. 47

Figura 23 Localização Geográfica da Bacia de campos Coordenadas consideradas: Longitude 50 à 30 Oeste Latidude 25 à 20 Sul Os gráficos de temperatura x profundidade ( 14 36) encontram-se no anexo B. 4

Profundidade (m) Temperatura Média ( C) 0 26,65 100 20,52 200 17,24 250 13,00 500 9,74 600 7,50 700 5,77 00 4,61 900 3,96 1.000 3,61 1.100 3,46 1.200 3,45 1.300 3,44 1.400 3,43 1.500 3,44 1.750 3,39 2.000 3,37 2.500 2,92 3.000 2,67 3.500 2,27 4.000 1,0 4.500 0,51 5.000 0,41 Tabela 10 Temperatura da água da Bacia de campos x Profundidade Bacia de Campos: Profundidade x Temperatura 30,00 Temperatura ( C) 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0 200 500 700 900 1.100 1.300 1.500 2.000 3.000 4.000 5.000 Profundidade (m) Gráfico 12 Temperatura da água da Bacia de campos x Profundidade 49

Foi determinada então a temperatura de saída da água salgada : Tentrada de água salgada = 13,4 C ( Profundidade de 250 m + perda na temperatura na bomba de água salgada ) A temperatura de saída da água salgada deve ser a mesma da superfície marinha com o objetivo de não causar nenhum impacto ao ecossistema marinho. Tsaída de água salgada = 26,6 C ( Profundidade da superfície marinha) Já a temperatura da água doce é arbitrada de acordo com os gráficos da temperatura da atmosfera da bacia de campos, então: Tentrada da água doce = 35 C ( Temperatura ambiente ) E a temperatura adotada de saída da água doce do trocador seria em torno de 6 C. Aplicando os conhecimentos termodinâmicos, onde sabemos que: Q = m.c p T Onde: Q Fluxo de Calor m Vazão do fluido Cp Calor específico do fluido T Diferencial de temperatura Como é conhecido o calor específico da água salgada e da água doce: Cp água doce = 0,990 Kcal / Kg C Cp água salgada = 1,0010 Kcal / Kg C O fluxo de calor foi determinado anteriormente : Q = 131.110,95 Kcal/h Com isso podemos determinar as vazões de água doce e salgada: m = Q / ( C p. T ) M água doce = 1,26 Kg / s M água salgada = 2,75 Kg / s 50

Dados: µ água doce 0,0000746 Kgf s / m 2 µ água salgada 0,0001232 Kgf s / m 2 ρ água doce (T-20 C) 994 kg / m 3 ρ água salgada 999,19 kg / m 3 k água doce 0,533 Kcal / h m C K água salgada ν água doce ν água salgada α água doce α água doce α água salgada α água salgada 0,499 Kcal / h m C 0,00000074 m 3 / s 0,00000121 m 3 / s 0,000537 m 2 / h 0,00000015 m 2 / s 0,000499 m 2 / h 0,00000014 m 2 / s Tabela 11 Dados de entrada : propriedades da água doce e salgada Conversão da vazão em massa (Kg / s ) para volumétrica : m vol = m água / ρ água M água doce = 0,0013 m 3 / s M água salgada = 0,0027 m 3 / s A próxima etapa será a determinação das características do trocador de calor. Foi adotado o tipo de trocador como o de carcaça-e-tubo conforme mostra a figura abaixo. Ele consiste em tubos localizados no interior da carcaça tubular do trocador. Então como os fluidos escoam pelos tubos em correntes adotadas como cruzadas pois escoam em direções opostas conforme o esquema abaixo. 51

Figura 24 Esquema de um trocador de calor tipo casco e tubos Figura 25 Trocador de calor tipo casco e tubos 52