Refrigeração e Climatização: Cálculos de Carga e Sistemas de Refrigeração, Trabalhos de Refrigeração e Ar Condicionado

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ÍNDICE

• INTRODUÇÃO
• Psicrometria
• Refrigerantes e ciclos de refrigeração
• Condições de design externo e critérios design interno
• Cálculos de carga
• Unidades de tratamento de ar e unidades embaladas
• Componentes de refrigeração e resfriadores evaporativos
• Sistemas de refrigeração
• Sistemas de absorção
• Desumidificação dessecante
• CONCLUSÃO
• BIBLIOGRAFIA

Psicrometria A psicrometria ou higrometria é a parte da termodinâmica que trata da quantificação do vapor de água presente na atmosfera. A palavra psicrometria é de origem grega e que significa “estudo do clima”. Na área de climatização e refrigeração há um interesse específico de se conhecer quais as propriedades e quais são os processos psicrométricos sofridos pelo ar, pelo facto deste variar levemente com o tempo, localização e altitude. Duma forma resumida, o ar é dividido em duas partes: ar úmido e ar seco. A parcela que contém vapor de água dissolvido em sua composição é chamado de ar úmido; a outra parcela, que não contém nada de vapor, é chamada de ar seco. A psicrometria ajuda a estudar o envolvimento das propriedades do ar úmido e do processo (secagem, umidificação, resfriamento, aquecimento) na mudança da temperatura ou do conteúdo de vapor de água da mistura de gases como o nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, entre outros que se misturam em pequenas proporções, conforme ilustra a tabela abaixo. Tabela 1: Principais componentes do ar atmosférico – Fonte: ASHRAE Handbook O conhecimento das propriedades do ar é importante no estudo da psicrometria:  Densidade do ar → 1,20 kg/m 3 para o ar seco a pressão de 101,325 kPa ou kN/m 2 e T=20°C  Densidade da água → 1.000kg/m 3 a 4°C e 998,23 kg/m 3 a 20°C

 Pressão barométrica → 101.325 N / m 2  O valor adotado para a aceleração da gravidade é 9,807m/s^2  Para a água, Rw=461,52kJ/kmol.K e Mw=18,015 kg/kmol  Para o ar seco, Ra=287,035kJ/kmol K e Ma =28,9645 kg/kmol (Ra =R/Ma )  Constante universal dos gases ideais: R=8314,4kJ/kmol.K  Massa molar do ar atmosférico seco é de 28,966 kg/kMol. A densidade do ar seco pode ser calculada por meio da hipótese de que este se comporta como um gás perfeito, o que é totalmente admissível para as condições normais de temperatura e pressão. Desta forma, isolando-se a densidade ( ρ ) na equação dos gases perfeitos tem-se: ρ = Pa Ra*T Onde: pa é a pressão do ar seco, Ra a constante do ar seco (Ra= 287,035 J/kg.K) e T é a temperatura do ar (em Kelvin). Como exemplo, supondo que o ar esteja a pressão atmosférica e que sua temperatura seja de 20ºC. A densidade é calculada da seguinte forma: ρ =

= 1,20kg m 3 O conhecimento das condições de umidade do ar é de grande importância para muitos setores da atividade humana, como o dimensionamento de sistemas para acondicionamento térmico, a conservação de alimentos, os sistemas de refrigeração ou a estimativa de tempo e energia requeridos por processos de secagem, umidificação, resfriamento e armazenamento e processamento de grãos. A mistura de ar seco com vapor de água dissolvido pode ser analisada segundo a Lei de Dalton. Essa lei diz que quando diversos gases ocupam um mesmo volume a uma dada temperatura, a pressão total provocada por estes é a soma das pressões parciais de seus constituintes, cada um considerado no mesmo volume e temperatura. Desta forma, a Lei de Dalton estabelece que:  A pressão exercida individualmente pelos gases da mistura é independente da presença de outros gases.  A pressão total da mistura de gases é a soma das pressões parciais dos

Figura 2: Principais propriedades representadas na carta psicrométrica

1. Temperatura de bulbo seco (TBS) indicada na carta por linhas retas verticais (°C);
2. Umidade absoluta (w) representada por linhas horizontais (kgv /kga );
3. Escala da umidade absoluta;
4. Temperatura de bulbo úmido (TBU). A escala de TBU está localizada na linha de saturação na extremidade esquerda da carta. A sua unidade é °C;
5. Volume específico (v) - A sua unidade é m3 /kga ;
6. Entalpia específica (h) - A sua unidade é kJ/kg de ar seco e seu símbolo é “h”;
7. Temperatura do ponto de orvalho (Torv) - (na linha de saturação) - A sua unidade é °C;
8. Umidade relativa (f) - expressa em porcentagem; 9. Escala referente ao Fator de Calor Sensível (FCS);
9. Escala referente ao Fator de Calor Sensível (FCS). Refrigerantes e ciclos de refrigeração Não há um fluido refrigerante universal. Sua escolha depende da aplicação. Características desejáveis:  Não ser tóxico;  Não ser inflamável;  Não ser corrosive;  Não ser prejudicial ao meio ambiente;  Ser quimicamente estável Ter alta entalpia de vaporização (minimiza a vazão mássica)  Estar disponível a um baixo custo A seleção do fluido refrigerante depende das temperaturas dos dois meios com os quais o refrigerante troca calor (o espaço refrigerado e o ambiente externo) Para uma transferência de calor adequada um ΔT entre 5 e 10ºC deve ser mantido entre os trocadores e o espaço refrigerado e o ambiente externo No evaporador, onde a

temperatura é a mais baixa no ciclo, é recomendável que a pressão (psat a Tevap) seja maior do que a pressão atmosférica Por exemplo, para manter um espaço refrigerado a -20ºC, a temperatura do refrigerante deve permanecer a cerca de -30ºC no evaporador O fluido chamado refrigerante absorve calor de uma substância do ambiente a ser resfriado. Dependendo da finalidade e das condições de operação, o fluido que mais se adequa é escolhido, uma vez que não há um refrigerante que possua todas as qualidades consideradas ideais. Condensar-se a pressões moderadas, evaporar se a pressões acima da atmosférica, ser quimicamente estável, não ser corrosivo, não ser tóxico, ser de fácil localização em caso de vazamentos e não atacar a camada de ozônio são algumas das principais propriedades de um bom refrigerante (FERRAZ, 2008). Condições de design externo e critérios design interno Factores com a temperatura do ar, umidade relativa, velocidade do vento e carga solar devem ser tomadas em consuderação ao projetar sistemas de refrigeração e climatização. Essas condições externas variam de acordo com a localização geográfica e a estação do ano, e têm um impacto significativo no dimensionamento e no desempenho dos sistemas. As condições de design externo são determinadas com base em dados climáticos históricos e são usadas como referência para o projeto de sistemas de refrigeração e climatização. Essas condições incluem a temperatura máxima e mínima do ar, a umidade relativa máxima e mínima, e a carga solar média durante um determinado período. Além das condições externas, os critérios de design interno também desempenham um papel importante no projeto de sistemas de refrigeração e climatização. Os critérios de design interno são baseados nas necessidades de conforto e nas atividades realizadas em um determinado ambiente. Para ambientes residenciais, comerciais e de escritórios, os critérios de design interno podem incluir uma faixa de temperatura e umidade relativa desejadas para garantir o conforto dos ocupantes. Por exemplo, a faixa de temperatura recomendada para ambientes internos pode variar entre 20°C e 25°C, enquanto a umidade relativa pode ser mantida em torno de 40% a 60%. Já para ambientes industriais, os critérios de design interno podem ser

sensível total do ambiente. Já para calcular a carga térmica latente, é necessário considerar a umidade relativa, a taxa de renovação de ar, a quantidade de umidade gerada por ocupantes, equipamentos e processos, entre outros fatores. Esses dados são utilizados em equações específicas para determinar a carga térmica latente total do ambiente. Os cálculos de carga são importantes para dimensionar corretamente os equipamentos de refrigeração e climatização, como condicionadores de ar, unidades de tratamento de ar e sistemas de refrigeração. Com base nas cargas térmicas calculadas, é possível selecionar os equipamentos com capacidade adequada para atender às demandas de resfriamento ou aquecimento do espaço. Além disso, os cálculos de carga também são essenciais para a otimização energética dos sistemas. Dimensionar os equipamentos corretamente evita sobredimensionamento ou subdimensionamento, garantindo a eficiência energética e a operação adequada dos sistemas. Um dimensionamento inadequado pode levar ao desperdício de energia, desempenho insatisfatório e desconforto térmico nos ambientes. Existem diferentes métodos e software de cálculo de carga disponíveis, que utilizam equações e algoritmos específicos para estimar a carga térmica sensível e latente. Esses métodos levam em consideração as características do ambiente, as condições de design externo, os critérios de design interno e as propriedades do ar úmido. Unidades de tratamento de ar e unidades embaladas As Unidades de Tratamento de Ar são responsáveis por tratar o ar ambiente, controlando sua temperatura, umidade, pureza e distribuição nos espaços climatizados. Uma UTA é composta por vários componentes, incluindo filtros de ar, serpentinas de resfriamento e aquecimento, ventiladores, umidificadores, desumidificadores, dutos e controles. Esses componentes trabalham em conjunto para garantir a qualidade do ar, o conforto térmico e a eficiência energética dos sistemas. Os filtros de ar são responsáveis por remover partículas e impurezas do ar, melhorando sua qualidade. Eles evitam a entrada de poeira, pólen, bactérias e outros contaminantes nos

ambientes climatizados. A seleção adequada dos filtros é essencial para garantir uma boa qualidade do ar e proteger a saúde dos ocupantes. Os ventiladores são responsáveis por movimentar o ar através da UTA e distribuí-lo nos espaços climatizados. Eles podem ser de diferentes tipos, como ventiladores centrífugos ou axiais, e devem ser selecionados de acordo com as necessidades de vazão de ar e pressão estática do sistema. Os umidificadores e desumidificadores são utilizados para controlar a umidade do ar. Em locais com baixa umidade relativa, os umidificadores adicionam umidade ao ar para evitar desconforto e problemas relacionados à saúde. Já em locais com alta umidade relativa, os desumidificadores removem o excesso de umidade, prevenindo o crescimento de mofo e a deterioração de materiais. Os dutos são responsáveis por transportar o ar tratado da UTA para os espaços climatizados. Eles devem ser projetados adequadamente para minimizar perdas de carga e garantir uma distribuição uniforme do ar. A seleção adequada do tamanho, material e layout dos dutos é essencial para evitar perdas de eficiência e assegurar o desempenho adequado do sistema. Os controles são utilizados para monitorar e regular o funcionamento da UTA. Eles podem incluir termostatos, sensores de temperatura e umidade, controladores de velocidade de ventiladores, entre outros dispositivos. Os controles permitem ajustar as condições de operação da UTA de acordo com as demandas específicas dos espaços climatizados, contribuindo para a eficiência energética e o conforto dos ocupantes. As Unidades Embaladas (UE) são sistemas de refrigeração e climatização compactos e autônomos, que integram diversos componentes em um único equipamento. Essas unidades são projetadas para serem instaladas em espaços reduzidos ou onde a instalação de sistemas convencionais seria inviável. Uma UE é composta por todos os principais elementos necessários para o funcionamento do sistema de refrigeração e climatização, como compressor, condensador, evaporador, ventilador, filtro de ar e controles. Esses componentes são cuidadosamente selecionados e dispostos de forma eficiente dentro do gabinete da UE. O compressor é o coração do sistema e é responsável por comprimir o refrigerante, aumentando sua pressão e temperatura. Esse refrigerante é então conduzido para o

interno e externo.

2. Condensador: O condensador é onde ocorre a troca de calor entre o refrigerante de alta pressão e temperatura e o meio externo, geralmente o ar ambiente ou a água. Nesse processo, o refrigerante libera calor e se condensa, transformando-se em líquido de alta pressão.
3. Válvula de Expansão: A válvula de expansão controla o fluxo do refrigerante do condensador para o evaporador. Ela reduz a pressão e a temperatura do refrigerante, preparando-o para a evaporação no evaporador.
4. Evaporador: O evaporador é responsável por absorver o calor do ambiente interno, resfriando-o. O refrigerante de baixa pressão e temperatura evapora no evaporador, absorvendo o calor do ar circundante. O ar resfriado é então distribuído nos espaços climatizados.
5. Tubos e Serpentinas: Os tubos e serpentinas são usados para transportar o refrigerante entre os componentes do sistema de refrigeração. Eles garantem a transferência eficiente de calor e permitem que o refrigerante mude de fase conforme necessário. Resfriadores Evaporativos Os resfriadores evaporativos são dispositivos que utilizam o processo de evaporação da água para resfriar o ar. Esses sistemas são amplamente utilizados em climas quentes e secos, onde proporcionam resfriamento eficiente e econômico. Os principais componentes de um resfriador evaporativo incluem:
6. Painéis de Resfriamento: Os painéis de resfriamento são responsáveis por maximizar a área de superfície em contato com o ar. Eles são geralmente compostos por materiais porosos ou ondulados, que facilitam a evaporação da água.
7. Bomba de Água: A bomba de água circula a água do reservatório para os painéis de resfriamento. Ela garante o fornecimento constante de água para o processo de evaporação.
8. Ventilador: O ventilador aspira o ar externo e o direciona para os painéis de

resfriamento. O ar passa pelos painéis, onde ocorre a evaporação da água, resultando em uma redução de temperatura.

4. Reservatório de Água: O reservatório de água armazena a água utilizada pelo sistema. Ele pode ser equipado com dispositivos de controle de nível e de qualidade da água, como válvulas de abastecimento e sistemas de tratamento de água. À medida que o ar externo passa pelos painéis de resfriamento, ocorre a evaporação da água. Esse processo absorve o calor do ar, reduzindo sua temperatura. O ar resfriado é então distribuído nos espaços climatizados. Os resfriadores evaporativos são uma opção popular para resfriamento em ambientes secos e quentes, pois utilizam menos energia do que os sistemas de ar condicionado tradicionais e fornecem uma fonte renovável e sustentável de resfriamento. No entanto, eles são menos eficazes em ambientes úmidos, onde a evaporação é limitada. Além disso, é importante ter em mente que o resfriamento evaporativo requer um suprimento constante de água, o que pode ser um problema em áreas onde a água é escassa ou cara. Sistemas de refrigeração Os sistemas de refrigeração desempenham um papel fundamental na manutenção de ambientes com temperaturas controladas, seja para fins comerciais, industriais ou residenciais. Esses sistemas utilizam princípios termodinâmicos para remover o calor do ambiente interno e transferi-lo para o ambiente externo. Existem diferentes tipos de sistemas de refrigeração, sendo os mais comuns:
5. Sistema de Compressão de Vapor: Este é o tipo mais utilizado em aplicações comerciais e residenciais. Ele envolve o uso de um compressor para comprimir o refrigerante, aumentando sua pressão e temperatura. O refrigerante é então resfriado no condensador, onde ocorre a transferência de calor para o ambiente externo. Em seguida, o refrigerante passa pela válvula de expansão, reduzindo sua pressão e temperatura, e entra no evaporador, onde absorve o calor do ambiente interno. O ar resfriado é distribuído nos espaços climatizados e o refrigerante retorna ao compressor para reiniciar o ciclo.
6. Sistema de Absorção: Esse tipo de sistema utiliza a propriedade de absorção de

refrigeração. Esses sistemas permitem o armazenamento e a utilização posterior de calor ou frio, possibilitando a otimização do uso de energia e o atendimento às demandas de refrigeração em momentos específicos. Existem diferentes tipos de sistemas de armazenamento térmico, incluindo:

1. Tanques de Armazenamento Térmico: Esses sistemas envolvem o uso de tanques ou reservatórios para armazenar água gelada ou água quente. Durante períodos de baixa demanda de refrigeração ou aquecimento, a água é resfriada ou aquecida e armazenada nos tanques. Posteriormente, quando há uma demanda maior, a água armazenada é utilizada para fornecer resfriamento ou aquecimento, reduzindo a carga nos sistemas de refrigeração ou aquecimento em tempo real. Esses tanques podem ser dimensionados de acordo com as necessidades específicas de cada aplicação.
2. Sistemas de Armazenamento de Gelo: Nesse tipo de sistema, a água é congelada durante os períodos de baixa demanda de energia e armazenada como gelo. Durante os períodos de pico, o gelo é derretido e usado para fornecer resfriamento. O uso de armazenamento de gelo oferece vantagens significativas, como maior capacidade de armazenamento de energia térmica em comparação com a água líquida e a possibilidade de operação noturna, quando a eletricidade geralmente é mais barata. Além disso, o gelo tem uma capacidade latente de fusão que permite uma transferência eficiente de calor.
3. Armazenamento de Frio em Fase Sólida: Esse tipo de sistema envolve o uso de materiais de mudança de fase (PCM) que têm a capacidade de armazenar e liberar grandes quantidades de energia térmica durante a mudança de fase de sólido para líquido e vice-versa. Durante os períodos de baixa demanda, o PCM é resfriado e armazenado em um estado sólido. Quando há uma demanda maior, o PCM é aquecido, absorvendo o calor do ambiente e fornecendo resfriamento. O uso de PCM oferece alta densidade de armazenamento de energia e permite uma liberação de calor ou frio gradual e controlada. Os sistemas de armazenamento térmico são utilizados em uma variedade de aplicações, incluindo sistemas de refrigeração e climatização em edifícios, sistemas de refrigeração industrial, sistemas de energia solar térmica e sistemas de

refrigeração em veículos. A implementação desses sistemas permite uma gestão mais eficiente da energia térmica, reduzindo a dependência de sistemas de refrigeração ou aquecimento em tempo real e aproveitando a energia térmica disponível em momentos de menor demanda. Sistemas de absorção Os sistemas de absorção são uma alternativa aos sistemas de refrigeração de compressão de vapor e são frequentemente utilizados em aplicações industriais e comerciais. Eles funcionam com base no princípio da absorção de um refrigerante por um solvente, em vez de usar um compressor para aumentar a pressão do refrigerante. Um sistema de absorção típico é composto por quatro componentes principais: 1. Gerador: O gerador é responsável por separar o refrigerante do solvente. Isso é feito aquecendo a solução refrigerante/solvente, o que leva à evaporação do refrigerante e à sua separação do solvente. 2. Condensador: Após a separação no gerador, o vapor do refrigerante é resfriado e condensado no condensador, liberando calor para o ambiente externo. Isso resulta na liquefação do refrigerante. 3. Válvula de Expansão: O refrigerante líquido, proveniente do condensador, passa pela válvula de expansão. A válvula de expansão regula o fluxo do refrigerante líquido para a próxima etapa, que é o evaporador. 4. Evaporador: No evaporador, o refrigerante líquido se evapora, absorvendo calor do ambiente a ser resfriado. O calor é transferido para o refrigerante, causando sua evaporação. A solução absorvente, que contém o refrigerante absorvido, é então devolvida ao gerador para iniciar o ciclo novamente. Os sistemas de absorção têm algumas vantagens em relação aos sistemas de compressão de vapor, como: 1. Maior eficiência energética: Os sistemas de absorção podem ser mais eficientes em termos energéticos do que os sistemas de compressão de vapor em determinadas condições de operação. 2. Menor impacto ambiental: Os sistemas de absorção podem utilizar refrigerantes que têm menor impacto ambiental, como a utilização de amônia (NH3) e água (H2O) como refrigerantes e solventes. 3. Menor ruído: Os sistemas de absorção são geralmente mais silenciosos do que os sistemas de compressão de vapor, pois não possuem um compressor em funcionamento. 4. Flexibilidade de fontes de calor: Os sistemas de absorção podem ser alimentados por uma variedade de fontes de calor, incluindo gás natural, energia solar, biomassa ou resíduos industriais.

dessecante e a necessidade de manutenção adequada para garantir o desempenho contínuo do sistema.

CONCLUSÃO

Através do desenvolvimento tecnologico há maior ênfase na eficiência energética e na proteção ambiental, e o aprimoramento destasas tecnologias e práticas na refrigeração e climatização, irá garantir um equilíbrio entre a economia global, o conforto humano e a sustentabilidade ambiental. Com a realização deste trabalho é possível afirmar que o conhecimento da Refrigerção e Climatização é essencial para projetar, operar e manter sistemas de refrigeração e climatização eficientes e com bom desempenho, garantindo a confiabilidade das mesmas nas empresas, residencias e em toda cadeia de produção.