SISTEMAS DEDICADOS AO TRATAMENTO DO AR DE RENOVAO NO
CONDICIONAMENTO DE AR
Joo DAnuzio Lima de Azevedo
Dissertao apresentada ao Programa de Ps-
graduao em Engenharia Mecnica, COPPE, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessrios obteno do ttulo de
Mestre em Engenharia Mecnica.
Orientador: Nisio de Carvalho Lobo Brum
Rio de Janeiro
Maro de 2013
iii
Azevedo, Joo DAnuzio Lima de
Sistemas Dedicados ao Tratamento do Ar de
Renovao no Condicionamento de Ar/ Joo DAnuzio
Lima de Azevedo. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,
2013.
XV, 182 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Nisio de Carvalho Lobo Brum
Dissertao (mestrado) UFRJ/ COPPE/
Programa de Engenharia Mecnica, 2013.
Referncias Bibliogrficas: p. 113 a 116.
1. Ar condicionado. 2. DOAS. 3. Roda entlpica. 4. Roda
dessecante I. Brum, Nisio de Carvalho Lobo. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Mecnica. III. Titulo.
iv
Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos
requisitos
necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias
(M.Sc.).
SISTEMAS DEDICADOS AO TRATAMENTO DO AR DE RENOVAO NO
CONDICIONAMENTO DE AR
Joo DAnuzio Lima de Azevedo
Maro/2013
Orientador: Nisio de Carvalho Lobo Brum D.Sc.
Programa: Engenharia Mecnica
No presente estudo so analisados diferentes arranjos de sistemas
de
condicionamento de ar com objetivo de reduzir o consumo
energtico requerido. Os
modelos abordados compreendem o convencional, com desvio do ar
de retorno e os
sistemas de ar externo dedicado (DOAS). A integrao das unidades
dedicadas com
dispositivos de recuperao de calor e desumidificao, tais como
rodas entlpicas e
dessecantes, foram levadas em considerao. A simulao se deu em
parte pela
implementao de cdigos em linguagem FORTRAN e por softwares de
fabricantes
certificados pela AHRI (Air Conditioning, Heating and
Refrigeration Institute)
disponibilizados gratuitamente. Para avaliar a variao do consumo
energtico ao longo
do ano foram criados dias tpicos para cada ms utilizando dados
da tabela TMY (Typical
Meteorological Year). Um estudo de caso foi realizado
considerando a aplicao para
cidade de Manaus, quente e mida a maior parte do ano, sendo
observado que os
sistemas de ar externo dedicado se mostraram uma boa
alternativa, reduzindo o consumo
energtico anual em aproximadamente 20%.
v
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial
fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
VENTILATION DEDICATED SYSTEMS IN AIR CONDITIONING
Joo DAnuzio Lima de Azevedo
March/2013
Advisor: Nisio de Carvalho Lobo Brum D.Sc.
Department: Mechanical Engineering
In this study were analyzed different arrangements of air
conditioning systems to
provide a reduction in the energy consumption. The models
studied include the
conventional, with recirculating air desvio and the dedicated
outdoor air systems (DOAS).
The integration of dedicated units with energy recovery and
dehumidifier devices was
considered. The simulation was made in part by a FORTRAN code
and manufacturer
freeware certified by AHRI. To evaluate the annual energy
consumption, a typical day
model for each month was created with TMY data. A case study was
accomplished for
Manaus city, hot and humid almost all year, and the results
suggest that dedicated outdoor
air systems are a good choice, reducing energy consumption
nearly 20%.
vi
SUMRIO
1
INTRODUO............................................................................................................
1
1.1 MOTIVAO E OBJETIVOS
...............................................................................
1
1.2 APRESENTAO DA DISSERTAO
...............................................................
4
2 REVISO
BIBLIOGRFICA........................................................................................
5
2.1 PRINCPIOS BSICOS
.......................................................................................
6
2.1.1 Funcionamento
.............................................................................................
6
2.1.2 Classificao
................................................................................................
8
2.2 PESQUISA SOBRE SISTEMAS DE AR EXTERNO DEDICADO
....................... 11
3 DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS PARA RESFRIAMENTO E
DESUMIDIFICAO DO AR
........................................................... 20
3.1 CARACTERSTICAS DE SERPENTINAS DE RESFRIAMENTO E
DESUMIDIFICAO
....................................................................................................
20
3.2 PROCESSO DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO EM SERPENTINAS
ALETADAS
........................................................................................
22
3.3 TRANSFERNCIA DE CALOR E MASSA EM SERPENTINAS ALETADAS
..................................................................................................................
23
3.4 IMPLEMENTAO DE UMA FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA
DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS
.................................... 28
3.4.1 Fluxograma funcionamento
........................................................................
35
3.4.2 Validao do programa
...............................................................................
37
4 PSICROMETRIA EM SISTEMAS DE AR CONDICIONADO
..................................... 40
4.1 SISTEMA CONVENCIONAL
.............................................................................
41
4.1.1 Sistema convencional com baixa ou moderada carga latente
..................... 44
4.1.2 Sistema convencional com alta carga latente
............................................. 51
4.2 SISTEMA CONVENCIONAL COM DESVIO DO AR DE RETORNO
...................................................................................................................
56
4.2.1 Implementao do cdigo computacional para o sistema com
desvio do ar de retorno.
............................................................................................
58
4.2.2 Algoritmo do programa para sistema com desvio do ar de
retorno 60
4.3 SISTEMA DE AR EXTERNO DEDICADO
......................................................... 61
4.3.1 DOAS com serpentina dedicada (CC)
........................................................ 62
vii
4.3.2 DOAS com serpentina dedicada e roda entlpica (CC+HW)
...................... 64
4.3.3 DOAS com serpentina dedicada, roda entlpica e roda
dessecante (CC+HW+DW)
.......................................................................................
65
4.3.4 Implementao do cdigo computacional para sistemas de ar
externo dedicado
......................................................................................................
68
4.3.5 Algoritmo do programa para sistemas de ar externo dedicado
................... 70
5 ESTUDO DE CASO: A UTILIZAO DOS SISTEMAS DE AR EXTERNO DEDICADO
NA CIDADE DE MANAUS
......................................................... 72
5.1 METODOLOGIA
................................................................................................
72
5.1.1 Caractersticas do Recinto
..........................................................................
72
5.1.2 Modelo do Dia Tpico
..................................................................................
75
5.1.3 Anlise do Consumo Eltrico em Sistemas de Ar Condicionado
............................................................................................................
78
5.1.4 Dimensionamento das Serpentinas dos Sistemas
...................................... 78
5.1.5 Rodas Dessecantes
....................................................................................
79
5.1.6 Procedimento da Simulao
.......................................................................
83
5.2 RESULTADOS
..................................................................................................
85
5.2.1 Simulao do Sistema Convencional
.......................................................... 85
5.2.2 Simulao do Sistema com Desvio do Ar de Retorno
................................. 88
5.2.3 Simulao dos sistemas de ar externo dedicados
...................................... 93
5.3 ANLISE COMPARATIVA
...............................................................................
101
5.3.1 Comparativo Entre as Serpentinas das Unidades Terminais e
Dedicadas
...............................................................................................................
101
5.3.2 Comparativo do Consumo de Energia Eltrica nos Sistemas de
Ar Condicionado
................................................................................................
105
6 CONCLUSO
.........................................................................................................
111
7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
........................................................................
113
ANEXO II SIMULAO DE SERPENTINAS DE REFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO
.....................................................................................................
119
ANEXO III SIMULAO DOS SISTEMAS DE AR CONDICIONADO
......................... 127
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - (a) Sistema convencional. (b) DOAS em paralelo com
unidade
convencional.
.....................................................................................................................
6
Figura 2.2 - (a) Distribuio direta. (b) Distribuio indireta
(MORRIS, 2003).................... 9
Figura 2.3 - (a) Temperatura Fria. (b) Temperatura Neutra.
............................................ 10
Figura 2.4 DOAS com serpentina de resfriamento e desumidificao.
......................... 11
Figura 2.5 Potencial de economia com a roda entlpica (adaptado
de
GATLEY, 2000).
..............................................................................................................
12
Figura 2.6 DOAS com duas rodas entlpica.
................................................................
14
Figura 2.7 Variao da transferncia de calor sensvel/reaquecimento
em
relao a vazo de ar (adaptado de SUBRAMANYAM et al, 2004).
................................ 16
Figura 3.1 Serpentina de resfriamento e desumidificao.
........................................... 21
Figura 3.2 Processo de resfriamento e desumidificao.
............................................. 22
Figura 3.3 Ilustrao de aletas circulares de espessura uniforme
em corte. ................ 32
Figura 3.4 Eficincia de aletas circulares (Adaptado de THRELKELD
et al,
1998).
..............................................................................................................................
33
Figura 3.5 Curva ajustada da taxa = (Adaptado de Barbosa, 2011).
..............................................................................................................................
35
Figura 3.6 Algoritmo para dimensionamento de serpentinas
aletadas.......................... 36
Figura 4.1 Diagrama esquemtico do sistema convencional pelo lado
ar. ................. 41
Figura 4.2 Processos psicromtricos do sistema convencional com
carga
latente baixa ou
moderada...............................................................................................
44
Figura 4.3 Esquema das correntes de ar que entram e saem da
serpentina. ............... 45
Figura 4.4 Diagrama de funcionamento do programa de simulao
do
sistema convencional sem reaquecimento.
......................................................................
51
Figura 4.5 - Processos psicromtricos do sistema convencional com
carga
latente alta.
......................................................................................................................
52
Figura 4.6 Temperatura ADP para diferentes temperaturas do
recinto e
fatores de calor sensvel efetivo para a umidade relativa de 50%
(adaptado de
KESSEY, 1981).
..............................................................................................................
54
Figura 4.7 - Diagrama de funcionamento do programa de simulao
do
sistema convencional com reaquecimento.
......................................................................
55
ix
Figura 4.8 - Diagrama esquemtico do sistema com desvio no
retorno pelo
lado ar.
..........................................................................................................................
57
Figura 4.9 - Processos psicromtricos do sistema com desvio do ar
de
retorno.
............................................................................................................................
57
Figura 4.10 Esquema das correntes de ar que entram e saem da
serpentina
com desvio no retorno.
....................................................................................................
58
Figura 4.11 - Diagrama de funcionamento do programa de simulao
do
sistema com desvio no ar de retorno.
..............................................................................
61
Figura 4.12 - Diagrama esquemtico do sistema de ar externo
dedicado com
serpentina de resfriamento (CC).
.....................................................................................
63
Figura 4.13 - Processos psicromtricos do DOAS com serpentina
dedicada. ................. 63
Figura 4.14 - Esquema do DOAS com serpentina e roda entlpica
(CC+HW). ............... 64
Figura 4.15 - Processos psicromtricos do DOAS com roda entlpica
e
serpentina dedicada (CC+HW).
.......................................................................................
65
Figura 4.16 - Diagrama esquemtico do sistema de ar externo
dedicado
(CC+HW+DW) pelo lado ar.
..........................................................................................
66
Figura 4.17 - Processos psicromtricos do DOAS com serpentina
dedicada,
roda entlpica e roda dessecante (CC+HW+DW).
........................................................... 67
Figura 4.18 - Diagrama de funcionamento do programa de simulao
dos
sistemas de ar externo dedicado.
....................................................................................
71
Figura 5.1 Participao na carga trmica de cada ganho de calor
............................... 74
Figura 5.2 Distribuio das condies do ar externo na carta
psicromtrica. ............... 76
Figura 5.3 Variao horria da temperatura do ar externo ao longo
do ano
(TMY).
.............................................................................................................................
76
Figura 5.4 - Variao horria da umidade do ar externo ao longo do
ano
(TMY).
.............................................................................................................................
77
Figura 5.5 - Ilustrao esquemtica da roda dessecante.
............................................... 80
Figura 5.6 Interface do software de seleo de rodas entlpicas
ECOFRESH.
................................................................................................................
82
Figura 5.7 Interface do software da roda dessecante da Rotor
Source. .................... 83
Figura 5.8 Procedimentos das simulaes.
..................................................................
84
Figura 5.9 Disperso de dados obtidos pela simulao do sistema
convencional.
...................................................................................................................
85
Figura 5.10 Detalhe 1 da Figura 5.9.
............................................................................
86
x
Figura 5.11 Detalhe 2 da Figura 5.9.
............................................................................
87
Figura 5.12 Consumo energtico mdio mensal do sistema
convencional. .................. 88
Figura 5.13 - Disperso de dados obtidos pela simulao do sistema
com
desvio no retorno.
............................................................................................................
89
Figura 5.14 Vazo de ar de insuflamento e consumo de energia
eltrica
variando com o desvio de ar do sistema com desvio de retorno.
..................................... 91
Figura 5.15 Temperatura e Razo de umidade do ar de
insuflamento
variando o desvio de ar no sistema com desvio no retorno.
............................................. 92
Figura 5.16 - Disperso de dados obtidos pela simulao do DOAS CC.
....................... 93
Figura 5.17 Consumo de energia eltrica ao longo do ano no DOAS
CC. ................... 94
Figura 5.18 - Disperso de dados obtidos pela simulao do DOAS
CC+HW. ............... 95
Figura 5.19 Consumo de energia eltrica ao longo do ano das
unidades TU
e DOA do sistema DOAS CC+HW.
..................................................................................
96
Figura 5.20 Relao de temperaturas PA, EX, RA e OA.
............................................. 97
Figura 5.21 - Disperso de dados obtidos pela simulao do DOAS
CC+HW+DW.
..................................................................................................................
98
Figura 5.22 - Consumo de energia eltrica anual de TU e DOAS
CC+HW+DW.
................................................................................................................
100
Figura 5.23 - reas total das serpentinas dos sistemas de ar
condicionado. ............... 102
Figura 5.24 Temperatura de entrada de gua na serpentina para
vrios n
de fileiras.
......................................................................................................................
103
Figura 5.25 Consumo eltrico dos sistemas de ar condicionado ao
longo do
ano.
...............................................................................................................................
105
Figura 5.26 Consumo total anual dos sistemas de ar condicionado.
.......................... 106
Figura 5.27 - Processos psicromtricos do ar de processo em DOAS.
......................... 109
xi
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 Eficincia aproximada de aletas planas para vrios
nmeros
de fileiras.
........................................................................................................................
27
Tabela 3.2 Velocidade de face recomendada em funo do nmero
de
aletas por metro.
..............................................................................................................
30
Tabela 3.3 Dados iniciais para dimensionamento de serpentinas.
................................ 37
Tabela 3.4 Resultado das simulaes para validao do cdigo
FORTRAN.
......................................................................................................................
38
Tabela 4.1 Fator de desvio (BF) tpico para diversas aplicaes
(Fonte:
Handbook of Air Conditioning System Design).
................................................................
43
Tabela 5.1 Resumo do clculo de carga trmica do recinto.
......................................... 74
Tabela 5.2 Resfriadores de lquido (Chillers) Requisitos mnimos
de
eficincia energtica (adaptado de ASHRAE Standards 90.1, 2004).
.............................. 78
Tabela 5.3 Resumo das serpentinas selecionadas.
.................................................... 104
Tabela 5.4 Ranking de consumo de energia e recomendaes sobre
sistemas.
.......................................................................................................................
110
xii
LISTA DE SMBOLOS
a Espessura da serpentina
Ai rea interna total
Af rea total das aletas
AF rea de face
Ap rea total externa dos tubos
At rea total de troca trmica da serpentina
b Altura da serpentina
BF Fator de desvio
BM Coeficiente de desvio de retorno
Bw Taxa CLH Quantidade de calor latente transferida atravs da
serpentina
cp Calor especfico
cpT Calor especfico do ar
cpwT Entalpia da gua condensada
CSH Quantidade de calor sensvel transferida atravs da
serpentina
CSHF Fator de calor sensvel da serpentina
CTH Quantidade total de calor transferida na serpentina
a Coeficientes de regresso da equao 4.8 de Dimetro externo dos
tubos
di Dimetro interno dos tubos
DSH Capacidade de resfriamento sensvel da unidade de
dedicada
e Espaamento dos tubos
ESHF Fator de calor sensvel efetivo
f Espessura da aleta
ha Coeficiente de conveco do ar
hADP Entalpia do ar saturado
hEA Entalpia da entrada de ar na serpentina
hLA Entalpia da sada de ar na serpentina
ho Calor de vaporizao da gua
hOA Entalpia do ar externo
xiii
hRA Entalpia do ar de retorno
J Diferena entre r1 e r2
kw Condutividade trmica do filme de gua condensada
L Comprimento da serpentina
(LMTD)aw Diferena logartmica mdia de temperatura entre o ar e
gua
Taxa do ar entrando na serpentina
Taxa do ar de exausto
Taxa do ar saindo da serpentina
Taxa de massa do ar externo
Taxa de massa do ar de retorno
SAm& Taxa de massa do ar insuflado
Vazo mssica de gua nf Nmero total de aletas
nr Nmero de rows
nt Nmero total de tubos
nt/r Nmero total de tubos por row
P Presso da mistura
PF Potncia frigorfica
Potncia frigorfica da serpentina dedicada PFT Capacidade total
de resfriamento do sistema
Psat Presso de vapor saturado
QH Quantidade de calor no reaquecimento
Ra Resistncia trmica do filme de ar
Rf Resistncia trmica das aletas
RLH Carga trmica latente interna
RSH Carga trmica sensvel
RSHF Fator de calor sensvel do recinto
Rtb Resistncia trmica dos tubos
RTH Carga trmica do recinto
Rw Resistncia trmica do filme de gua dentro dos tubos
Tadp Temperatura de ponto de orvalho da serpentina
TCA Temperatura do ar tratado pela unidade DOA
xiv
TEA Temperatura do ar entrando na serpentina
TEW Temperatura da gua gelada entrando na serpentina
TLA Temperatura do ar saindo da serpentina
TLW Temperatura da gua gelada saindo da serpentina
TOA Temperatura do ar externo
TRA Temperatura do recinto/ar de retorno
TSA Temperatura do ar insuflado
TUSH Quantidade de calor sensvel restante a ser tratada pela
unidade terminal
Tsm Temperatura mdia da superfcie externa da serpentina
Tw Temperatura do filme de condensado
Twm Temperatura mdia da gua
U Coeficiente global de troca trmica
uw Velocidade mdia da gua no interior dos tubos
var Volume especfico do ar
VF Velocidade de face
ADPw Razo de umidade do ar saturado
WCA Razo de umidade do ar processado pela unidade DOA
wEA Razo de umidade do ar entrando na serpentina
wLA Razo de umidade do ar saindo da serpentina
wOA Razo de umidade do ar externo
wRA Razo de umidade do ar interno
wSA Razo de umidade do ar insuflado
yw Espessura do filme de material condensado
Smbolos Gregos
wo, Coeficiente de pelcula da gua na superfcie externa
Eficcia da superfcie total
Eficincia das aletas
tb Condutividade trmica do material dos tubos
Nmero de aletas por metro
xv
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
AHRI Air-conditionig, heating and Refrigerating Institute
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-
Conditioning
Engineers
COP Coeficiente de eficcia
DOAS Dedicated Outdoor Air System
IPLV Integrated Part Load Value
TER Total Energy Recovery
TMY Typical Meteorological Year
TU Terminal Unit
VAV Volume de Ar Varivel
1
1 INTRODUO
1.1 MOTIVAO E OBJETIVOS
A racionalizao do uso da energia um constante objetivo das
pesquisas em engenharia de um modo em geral e em particular na
engenharia
mecnica. Como exemplo, tm-se as pesquisas voltadas para otimizao
e
reduo do consumo de energia de sistemas refrigerao e
condicionamento de
ar. Tal estudo se torna relevante pelo fato de que o nmero de
equipamentos de
condicionamento de ar estar aumentando continuamente nos grandes
centros e a
crescente necessidade de condicionamento de ar por parte de
processos
industriais.
No Brasil, cerca de 48% da demanda energtica do setor
comercial
devido a equipamentos de condicionamento de ar (PROCEL, 2007).
Em Manaus
este consumo corresponde a 27% do consumo domstico
(POMPERMAYER,
2000) e 20% em edifcios comerciais (CARLO, 2002). Nos
ambientes
condicionados artificialmente torna-se necessrio manter nveis de
renovao do
ar estritos, regulados inclusive pela ANVISA (Agncia Nacional de
Vigilncia
Sanitria). Esta renovao utiliza o ar exterior que, por exemplo,
em Manaus
quente e mido a maior parte do ano, assim, torna-se necessrio
resfriar e
desumidificar esta corrente sendo ela responsvel por uma
substancial parcela do
2
consumo energtico das instalaes de condicionamento de ar
especialmente
nesta cidade.
O objetivo desse estudo analisar o comportamento dos sistemas de
ar
externo dedicado para a reduo do consumo de energia eltrica em
sistemas de
condicionamento de ar de grande porte por meio da minimizao de
carga trmica
latente, considerada elevada nas condies ambientais da cidade de
Manaus.
Em regies de clima quente e mido os sistemas convencionais,
eventualmente, precisam reaquecer o ar insuflado (adicionar
calor sensvel) para
garantir o controle da umidade relativa no recinto quando a
parcela latente da
carga total relativamente alta e, para isso, so comumente
utilizadas baterias de
aquecimento localizadas aps a serpentina do equipamento
(KHARAGPUR,
2008).
Esta prtica, que envolve aquecimento e resfriamento
simultaneamente,
eleva consideravelmente o consumo de energia eltrica nesses
sistemas, como
resultado, vrias normas internacionais tais como as da ASHRAE
(American
Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning
Engineers) e LEED
(Leadership in Energy & Environmental Design) limitam ou
probem o uso do
reaquecimento em diversas aplicaes.
Dentre as configuraes propostas, est o emprego do desvio do ar
de
retorno em sistemas convencionais sugerido por BOLLIGER (2003),
o qual
proporciona reaquecimento equivalente a custo nulo e reduz a
potncia eltrica
instalada. Outras propostas abordaro o emprego de uma tecnologia
que est
sendo amplamente utilizada em construes de alta eficincia
energtica; os
sistemas de ar externo dedicado (do ingls, Dedicated Outdoor Air
Systems -
3
DOAS). Segundo MURPHY (2012), os DOAS basicamente consistem em
dividir a
carga do sistema em duas contribuies, uma sensvel, oriunda do ar
recirculado
na unidade terminal, e outra latente, a qual tratada pela
unidade dedicada.
A anlise ser feita atravs de simulao computacional em cdigo
FORTRAN do sistema de equaes psicromtricas tal como apresentado
por
CARRIER (1966), para tal, um modelo matemtico de anlise
psicromtrica em
sistemas de condicionamento de ar ser resolvido visando prever
as propriedades
do ar ao longo dos processos, bem como, a capacidade ou potncia
frigorfica
exigida das serpentinas da unidade terminal e dedicada em funo
da carga
trmica interna do recinto e das variaes de temperatura e umidade
relativa do ar
externo.
Uma vez simulados os sistemas, com as propriedades do ar na
entrada
e sada da serpentina, um programa de dimensionamento de
serpentinas
inspirado na metodologia encontrada em JONES (2005) e THRELKELD
et al
(1998), tambm em linguagem FORTRAN, ser implementado para
determinar as
caractersticas mnimas de funcionamento assim como comparar a
ordem de
grandeza entre as serpentinas dos modelos propostos.
O resultado deste projeto ser o mapeamento das condies de
operao de grandes sistemas de condicionamento de ar integrados a
unidades
de tratamento de ar externo dedicadas ao resfriamento e
desumidificao do ar
exterior para dias tpicos de cada ms na cidade de Manaus.
4
1.2 APRESENTAO DA DISSERTAO
No captulo 2 ser realizada uma reviso bibliogrfica acerca
das
caractersticas tcnicas e operacionais dos sistemas de ar externo
dedicado e
seus componentes;
No captulo 3 ser apresentada uma metodologia para
dimensionamento de serpentinas de resfriamento e desumidificao e
o seu
algoritmo de funcionamento;
No captulo 4 sero apresentados os modelos de sistemas de
condicionamento de ar utilizados neste estudo e o algoritmo da
soluo;
No captulo 5 ser realizado um estudo de caso contendo uma
anlise
comparativa do desempenho e consumo energtico da operao de um
ambiente
modelo levando em considerao as condies climticas de Manaus para
o
sistema convencional e demais propostas.
No captulo 6 sero expostas as concluses deste estudo e
sugestes
para trabalhos futuros.
5
2 REVISO BIBLIOGRFICA
O sistema de ar externo dedicado (DOAS) consiste em duas
unidades
de tratamento de ar em paralelo: uma exclusiva para o tratamento
do ar externo
que lida com cargas latentes e outra para lidar com cargas
sensveis oriundas do
recinto.
Segundo a ASHRAE Standards 62.1 (2004), os sistemas de
climatizao que atendem multizonas, tais como os de Vazo de Ar
Varivel
(VAV), possuem alguns problemas em potencial em termos de
conforto trmico e
qualidade do ar interior. Dependendo das circunstncias
ambientais e do sistema
paralelo adotado, o DOAS poder tanto combater a carga trmica
latente quanto
parte do calor sensvel deixando o restante desta parcela para a
unidade terminal
(TU).
De acordo com a ASHRAE Journals, os sistemas de ar externo
dedicado tm sido extensivamente utilizados na Europa e em
diversas formas
lugares dos Estados Unidos. No Brasil, esta tecnologia j vem
ganhando espao
h algum tempo, principalmente nas grandes capitais das regies
sul e sudeste,
aps a criao do Programa Nacional de Etiquetagem de Edificaes por
meio de
convnios firmados com a Eletrobrs no mbito do Programa Nacional
de
Conservao de Energia Eltrica - PROCEL Edifica.
Este captulo apresenta uma reviso bibliogrfica que delineia
os
principais estudos acerca dos tipos de arranjos, incluindo
vantagens e
desvantagens, performance e custo energtico de tais
sistemas.
6
2.1 PRINCPIOS BSICOS
2.1.1 Funcionamento
A ideia de utilizar o sistema de ar externo dedicado no
nova.
MECKLER (1986) desenvolveu sistemas e publicou artigos sobre o
assunto h
mais de 20 anos, iniciando a divulgao deste conceito. O DOAS
consiste em
separar a responsabilidade de ventilao e carga latente da carga
sensvel do
recinto atendido pela unidade terminal existente nos sistemas
convencionais. Na
Fig. 2.1, encontram-se uma ilustrao dos dois tipos de
sistema.
Figura 2.1 - (a) Sistema convencional. (b) DOAS em paralelo com
unidade convencional.
7
No sistema convencional (Fig.2.1a), o ar insuflado para o
recinto em
SA, aps as trocas trmicas parte exausta (EX) e outra recirculada
(RA). O ar
de retorno misturado com a corrente de ar vinda do ambiente
exterior (OA)
sendo em seguida resfriado e desumidificado pela unidade
terminal (Fancoil, por
exemplo) e insuflado novamente para o recinto.
J o DOAS em paralelo com uma unidade terminal, na Fig. 2.1b,
h
duas correntes de insuflamento oriundas do DOAS (CA) e da
recirculao de ar
(SA). Neste sistema no h mistura do ar de retorno com o ar
externo sendo este
tratado exclusivamente pelo DOAS encarregado da parcela latente
e parte da
sensvel do recinto, desta forma, a unidade terminal seria
responsvel pelo
restante da carga sensvel.
No Brasil, tanto para o DOAS quanto nos sistemas convencionais
a
quantidade de ar externo (ar fresco) que deve ser fornecida ao
ambiente regida
pela norma tcnica ABNT NBR-16401-1/2/3 (na parte 3) adotando a
metodologia
ANSI/ASHRAE 62.1. A tomada de ar exterior em sistemas de
condicionamento de
ar serve para a diluio de poluentes e contaminantes nos
ambientes
climatizados.
Alm da norma citada acima, a Agncia Nacional de Vigilncia
Sanitria
ANVISA em 28 de Agosto de 1998 instituiu a portaria n 3523 do
Ministrio da
Sade que trata acerca da qualidade de ar interior e preveno de
riscos sade
dos ocupantes de ambientes climatizados. O artigo 5 adota o
critrio mnimo de
27m3/h/pessoa para garantir a renovao do ar interior dos
recintos climatizados.
8
2.1.2 Classificao
Os sistemas de ar externo dedicados podem ser classificados
atravs
do mecanismo de distribuio de ar (direto ou indireto) e pela
temperatura do ar
insuflado no recinto (neutra ou fria).
2.1.2.1 Quanto distribuio de ar
De acordo com MORRIS (2003), o DOAS na Fig.2.2a consiste em
uma
unidade dedicada a qual entrega ar externo condicionado para
cada espao
ocupado por meio de dutos e difusores separados. Essa configurao
promove
algumas vantagens tais como; um caminho separado para a corrente
de
ventilao, facilitando a medio e balanceamento da vazo de ar
externo e o
condicionamento do ar externo separado evita a imposio de carga
de ventilao
na unidade local promovendo adequada capacidade de desumidificao
sem o
sobreresfriamento do recinto. Entretanto, dutos e difusores
adicionais podem
elevar o custo inicial do sistema, alm disso, o insuflamento do
ar externo e do
recirculado por difusores diferentes podem no garantir um
adequada mistura das
duas correntes de ar no recinto.
Ainda sob a perspectiva de MORRIS (2003), o DOAS mostrado na
Fig.2.1b tambm usa uma unidade de ar externa dedicada carga de
ventilao,
porm o ar condicionado entregue nas proximidades ou dentro de
cada unidade
local. O ar externo misturado com o ar recirculado passando pela
serpentina de
9
resfriamento da unidade terminal insuflando ar misturado e
climatizado em cada
recinto. As vantagens deste tipo de arranjo incluem o uso do
mesmo duto e difusor
evitando custos adicionais como os de caminhos separados, e
ainda, a mistura do
ar externo como o de retorno antes de ser entregue ao recinto,
garante facilmente
o alcance do um conforto trmico uniforme.
Figura 2.2 - (a) Distribuio direta. (b) Distribuio indireta
(MORRIS, 2003).
2.1.2.2 Quanto temperatura de insuflamento
MUMMA (2001) e MORRIS (2003) apontam para dois modos de
fornecimento de ar quanto a sua temperatura, fria ou neutra. A
temperatura de
insuflamento do DOAS geralmente de escolha do projetista que
deve optar pela
neutra, quando est prxima a temperatura de projeto do recinto
(entre 22C e
24C), ou pela fria, quando opta pela temperatura de saturao.
MUMMA (2001)
recomenda fortemente o uso da temperatura fria, pois, com esta
temperatura, o
DOAS alm de encarregar-se da carga latente, combate parte da
carga sensvel
10
do recinto reduzindo a capacidade da unidade terminal, ao passo
que, na
condio neutra acontece o oposto devido a pequena diferena de
temperatura
entre CA e RA sendo necessrio o reaquecimento (Fig. 2.3b).
Figura 2.3 - (a) Temperatura Fria. (b) Temperatura Neutra.
11
2.2 PESQUISA SOBRE SISTEMAS DE AR EXTERNO DEDICADO
COAD (1999) apresenta em seu artigo a ideia de que a utilizao
de
uma cmara mistura entre o ar de retorno e o exterior a montante
da unidade de
tratamento de ar um conceito fundamentalmente defeituoso e que
esta prtica
deveria ser substituda. O conceito proposto por COAD (1999)
consistia em impor
uma unidade de condicionamento de ar de ventilao (significado
equivalente a
DOAS) para garantir de forma confivel o conforto trmico e
elevada qualidade do
ar interior para ambientes com controle de temperatura e umidade
extremamente
crtico a um custo reduzido. A Fig. 2.4 ilustra do modelo
relativamente simples de
DOAS sugerido por COAD (1999) constitudo apenas por uma
serpentina de
resfriamento e desumidificao e outra de aquecimento, ativada
somente quando
necessrio.
Figura 2.4 DOAS com serpentina de resfriamento e
desumidificao.
12
BESANT e SIMONSON (2000) estudam a utilizao de rodas
entlpicas
como dispositivos de recuperao de energia Ar-Ar (air-to-air)
para o pr-
tratamento do ar exterior. A pesquisa mostra que o emprego desta
tecnologia
pode levar a significantes redues no custo de implantao e
consumo de
energia alm da reduo da carga de ventilao de aquecimento e
climatizao
em torno de 80% e 40%, respectivamente, para uma roda entlpica
utilizada em
Chicago (EUA).
GATLEY (2000) introduz a possibilidade de integrao das
unidades
DOA com outras tecnologias de desumidificao tais como a roda
entlpica (ou
roda dessecante passiva), roda dessecante (ativa) e at mesmo
serpentinas de
aquecimento que aproveitam fontes de calor desperdiadas. O autor
tambm
conclui que quanto mais o estado do ar externo tender para o
quente e mido,
maior o potencial de economia de energia justificando o emprego
destas
tecnologias, conforme visto na Figura 2.5.
Figura 2.5 Potencial de economia com a roda entlpica (adaptado
de GATLEY, 2000).
0
1
2
3
4
5
6
7
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Capacidade (TR)
Entalpia do ar externo
com roda entlpica Sem roda entlpica
13
Outro trabalho de GATLEY (2000) relaciona as principais
caractersticas
de rodas dessecantes passivas e ativas aplicadas em unidades DOA
tais como
aspectos construtivos, faixa de rotao, temperatura mxima do
rotor, perda de
carga e vida til. Neste estudo, o autor restringe o uso da roda
entlpica para
situaes em que se deseja transferir calor sensvel e latente de
uma corrente de
ar para outra ao passo que a roda dessecante deve ser utilizada
quando o objetivo
seja remover o teor de vapor dgua (umidade) em uma corrente de
ar, ou seja,
reduzir sua carga latente.
Em 2001, MUMMA. S.A. publicou uma srie de artigos atravs da
ASHRAE Journals e ASHRAE Transactions referentes aos sistemas de
ar externo
dedicado e seu impacto na qualidade do ar interior em espaos
climatizados. A
seguir, encontram-se os artigos mais relevantes para o presente
trabalho.
MUMMA (2001) fez uma reviso acerca da integrao de unidades
de
ar externo dedicado em paralelo a unidades terminais de
climatizao. MUMMA
(2001) faz uma observao geral sobre a temperatura de
insuflamento do ar de
ventilao o qual dever compreender a faixa entre 7C e 24C. Esta
faixa de
temperaturas permite acomodar de 0% a 30% da carga sensvel do
recinto atravs
do condicionamento do ar externo.
SHANK e MUMMA (2001) avaliaram diferentes temperaturas de
insuflamento de unidades dedicadas ventilao confrontando a
prtica vigente
de selecionar temperaturas prximas a do recinto (temperatura
neutra) e
desenvolveram uma metodologia priorizando a reduo de consumo de
energia.
Os autores concluram que a temperatura de insuflamento do DOAS
no deve ser
superior a 13C e recomendam para a temperatura de ponto de
orvalho qualquer
14
que seja desde que garanta suprir toda a carga latente do
recinto, geralmente
prximo de 7C. Outra observao de SHANK e MUMMA (2001) que com
temperaturas entre 7C e 13C no h necessidade de reaquecimento na
unidade
terminal.
Em outro trabalho de MUMMA (2001), o pr-aquecimento do ar
externo
em sistemas dedicados investigado para avaliar seu impacto na
qualidade do ar
interior. Nesse estudo, MUMMA (2001) sugere outro arranjo de
unidades DOA as
quais contm uma serpentina de aquecimento, uma roda entlpica
total (sensvel
e latente), uma serpentina de resfriamento e desumidificao e uma
roda entlpica
sensvel, sendo que esta ltima s necessria quando o ar insuflado
precisar de
reaquecimento (Fig. 2.6). O autor discute o desempenho de cada
componente
individualmente e operando em conjunto. MUMMA (2001) conclui que
os
equipamentos de recuperao de energia requeridos pela norma
ASHRAE/ANSI
90.1 (1999) permitem que os DOAS atinjam elevados ndices de
eficincia
energtica alm de assegurar ventilao adequada em cada zona de um
edifcio.
O autor tambm afirma que esses sistemas possuem baixos custos
operacionais
bem como investimentos iniciais e altamente recomenda os DOAS
como melhoria
na qualidade do ar interno.
Figura 2.6 DOAS com duas rodas entlpica.
15
MUMMA (2001), em mais outro artigo, elaborou modelos matemticos
e
algoritmos de controle para trs diferentes configuraes de DOAS.
O primeiro era
composto por uma serpentina de resfriamento e desumidificao,
outra de
aquecimento e um umidificador, a segunda possua uma serpentina
para pr-
aquecimento, uma roda entlpica total seguida de uma serpentina
resfriamento e
desumidificao e outra de reaquecimento, por fim, a terceira
continha tambm
uma roda entlpica sensvel. Para o estudo foram utilizados os
dados de um ano
tpico meteorolgico (TMY) da cidade de Atlanta (EUA) para
determinar o pico de
carga trmica de projeto alm do consumo energtico anual. A
simulao usou
3744 horas por ano da ocupao e 4719 l/s de ar externo. Baseado
nos resultados
da simulao, MUMMA (2001) afirma que a melhor configurao para um
DOAS
a terceira opo, com duas rodas entlpicas sendo uma total e outra
sensvel.
MUMMA (2003) analisou profundamente os sistemas de ar
externo
dedicado com total recuperao de energia (TER Total Energy
Recovery) e
constata que a variao da capacidade do sistema em carga parcial
com a roda
entlpica de 75% a 100% ao passo que, sem TER, a capacidade da
serpentina
varia de 0% a 100%. MUMMA (2003) exemplifica um sistema com
155kW e
4720l/s de OA, quando utilizado TER, h uma reduo de 46% na carga
da
serpentina e a consumo anual de energia requerida para
desumidificar o ar
externo reduz 2%.
BOLLIGER (2003) sugere o artifcio de desviar o ar de retorno
inclume
serpentina para o reaquecimento do ar em substituio ao banco de
resistncias
empregado nos sistemas convencionais. Seu estudo mostra que a
implementao
do desvio do ar de retorno pode reduzir em at 75% do consumo de
energia
16
eltrica do sistema convencional durante o vero e o inverno,
entretanto, em
ambos os perodos, esta variao sofre forte influncia sobre
oscilaes da carga
trmica interna podendo reduzir a eficincia do modelo
proposto.
SUBRAMANYAM et al (2004) estudaram a aplicao de rodas
dessecantes no controle de umidade em sistemas de ar
condicionado como uma
alternativa ao reaquecimento. Em seu artigo, uma roda dessecante
integrada ao
sistema de compresso de vapor estudada em vrias vazes de ar para
avaliar
sua performance e compar-lo como o convencional usando o
reaquecimento. Os
autores constatam que o modelo proposto pode atingir o dobro do
COP do
sistema convencional e que a roda dessecante uma boa alternativa
para o
reaquecimento convencional, pois, alm de aquecer e
desumidificar, a energia
requerida para aquecimento pode ser controlada pela vazo de
insuflamento (Fig.
2.7).
Figura 2.7 Variao da transferncia de calor sensvel/reaquecimento
em relao a vazo de ar (adaptado de SUBRAMANYAM et al, 2004).
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
250 350 450 550 650 750
Transferncia de calor sensvel
(kW)
Vazo (m/h)
Dessecante Reaquecimento
17
MAZZEI et al (2004) consideram que a desumidificao a chave
para
os sistemas de ar condicionado destinados ao conforto trmico. A
partir desta
considerao, os autores avaliam diversos arranjos hbridos
assistidos por rotores
dessecantes em conjunto com sistemas evaporativos e de compresso
a vapor.
As simulaes dos modelos hbridos com rodas dessecantes mostraram
notria
economia nos custos de operao e implantao (estimada entre 23% e
38%),
reduo do consumo de energia eltrica (entre 44% e 50%) alm de um
melhor
controle de umidade.
SAND e FISHER (2005) analisaram a integrao de um mdulo
dessecante ativo (ADM) dedicado ao ar externo com uma unidade
rooftop
convencional. Com uma simulao energtica simplificada a simulao
mostrou
que o custo operacional do sistema hbrido pode chegar at 45%
menos que o
convencional e exclui a necessidade de reaquecimento.
LIU et al (2007) integram uma unidade DOA com roda dessecante
em
paralelo ao sistema de compresso a vapor. Para isso, os autores
estabelecem
um modelo de consumo energtico para o sistema hbrido. Os
resultados
indicaram que comparado ao DOAS convencional (com apenas
serpentina de
resfriamento e desumidificao e outra de aquecimento), possvel
economizar
energia com o DOAS sugerido quando so utilizados tanto energia
solar quanto
gs natural no processo de regenerao. E ainda, quanto menor for a
vazo de
regenerao menor o consumo (6.6% a menos), do contrrio o DOAS
hibrdo
consome 22% a mais que o convencional.
MUMMA (2007) tambm simula modelos de DOAS com elementos
dessecantes passivos e ativos com todos os modelos estudados
anteriormente.
18
So quantificadas e avaliadas pelo autor, a variao anual do custo
operacional, o
nmero de horas necessrias para o controle de umidade e o custo
anual de
energia, e mostra que os melhores arranjos de unidades DOA so
com roda
entlpica e serpentina. O modelo com componente desumidificante
passivo
tambm mostrou um desempenho prximo ao sistema citado
anteriormente sendo
tambm recomendado pelo autor.
As configuraes de DOAS em srie ou paralelo so comparadas por
MUMMA (2008) para avaliar qual dos arranjos apresentaria melhor
desempenho
em conjunto com uma unidade fan-coil. Sua constatao foi de que a
configurao
em paralelo reduz o tamanho da unidade fan-coil em 33% assim
como o consumo
do seu ventilador.
No artigo de YU et al (2009), os autores fazem uma reviso
sobre
pesquisa acerca de sistemas de ar condicionado e o controle da
qualidade do ar
interno para sade humana. O trabalho cita que os sistemas de ar
externo
dedicados, alm de fazerem o controle independente de temperatura
e umidade,
asseguram que a serpentina da unidade terminal trabalhe na
condio seca
eliminando o risco de proliferao de fungos e bactrias, e
economizam energia.
NBREGA e BRUM (2010) propem um modelo hbrido composto por
rodas dessecantes e resfriador evaporativo dedicados ao
pr-tratamento do ar de
mistura (ar externo com recirculado) como uma alternativa ao
sistema
convencional com reaquecimento. Os autores afirmam que a
temperatura de
insuflamento um parmetro chave, pois, no sistema hbrido em
questo,
costuma ser excessivamente prximo a condio de conforto do
recinto, como
consequncia, so necessrias altas vazes de ar para combater a
carga trmica.
19
Por utilizarem uma roda dessecante ativa, necessria uma fonte de
energia para
o processo de regenerao onde sugerida a utilizao de fontes menos
nobres
que a eltrica como coletores solares e queima de gs natural.
LEE et al (2012), em seu estudo, compara o desempenho e o
potencial
de reduo de consumo de energia de DOAS e sistemas vazo constante
com ou
sem reaquecimento em uma simulao hora-a-hora. Foi observado que,
em
comparao ao sistema convencional, o DOAS economiza muito mais
energia
para as bombas devido reduo da vazo de gua gelada necessria de
50% a
10,1% e o custo anual de energia em 54%.
LING et al (2013) simulam DOAS auxiliados por rodas
dessecantes
ativas operando em conjunto com resfriamento evaporativo, roda
entlpica
sensvel e total. Seus resultados mostram que o resfriamento
evaporativo melhora
o COP do sistema de 7% a 14% e as rodas entlpicas de 39% a 40%.
Tambm
observado que a roda entlpica eficaz em conjunto com unidades
DOA
assistidas por rodas dessecantes, no s por reduzir a capacidade
requerida no
ciclo de compresso a vapor, mas por minimizar a energia
requerida no processo
de regenerao do rotor dessecante.
20
3 DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS
PARA RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO DO AR
Com o objetivo de ter em mos uma ferramenta til para comparar
as
serpentinas de resfriamento requeridas em cada sistema analisado
nos prximos
captulos, ser mostrado um modelo simples baseado nas
metodologias de
JONES (2005) e THRELKELD et al (1998) para estimar seus
principais
parmetros de operao, tais como, a superfcie total coeficiente
global de troca
trmica. Aps apresentado o modelo, um algoritmo computacional
ser
implementado em linguagem FORTRAN.
3.1 CARACTERSTICAS DE SERPENTINAS DE RESFRIAMENTO E
DESUMIDIFICAO
Serpentinas so trocadores de calor de contato indireto, onde a
energia
transferida sob forma de calor entre dois meios (tais como, gua,
refrigerantes,
vapor, etc), com o propsito de aquecer, resfriar, desumidificar
ou uma
combinao destes processos (WANG, 2001) e consistem de tubos e
aletas
externas dispostas em linha ao longo do fluxo de ar para
promover a maior rea
de contato possvel.
Existem vrios tipos de serpentinas tais como; a de expanso
direta,
aquecimento, de aquecimento com vapor, de aquecimento com gua e
de
resfriamento com gua gelada. Esta ltima utiliza gua como fluido
refrigerante
21
para resfriar ou resfriar e desumidificar o ar que escoa pela
superfcie externa dos
tubos e aletas. Comumente, para manter uma elevada taxa de
transferncia de
calor, o ar e gua esto disposto no arranjo contra-fluxo.
Os tubos so geralmente feitos de cobre com dimetro entre 13 a
16
mm com espessura de 0,25 a 0,50mm, espaados longitudinalmente
entre 19 e 31
mm e transversalmente entre 25 a 38 mm, podendo ser configurados
em 2, 3, 4, 6
ou 8 fileiras (rows). A Fig. 3.1 ilustra uma serpentina de
resfriamento a base de
gua gelada.
Figura 3.1 Serpentina de resfriamento e desumidificao.
J as aletas normalmente possuem uma espessura de 0,13 a 0,2
mm,
podendo ser feitas de ao, ao inoxidvel e cobre sendo este ltimo
geralmente o
mais empregado. As serpentinas utilizadas em sistemas de
condicionamento de ar
devem possuir uma densidade de aletas em torno de 8 a 18
aletas/polegada. Por
22
se tratarem de serpentinas midas, h uma bandeja de recolhimento
de
condensado que feito por gravidade.
3.2 PROCESSO DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAO EM
SERPENTINAS ALETADAS
A condensao do vapor dgua ocorre quando o ar mido resfriado
a uma temperatura abaixo de seu ponto de orvalho inicial,
embora, quantidades de
gua possam ser removidas em vrias faixas de temperatura entre o
ponto de
orvalho inicial e a temperatura de saturao final (ASHRAE
Fundamentals 2009).
Termodinamicamente, h um decrscimo na temperatura e no teor de
vapor
dgua da corrente ar mido, ou seja, uma reduo nas parcelas
sensvel e latente
da energia contida em sua massa.
Figura 3.2 Processo de resfriamento e desumidificao.
23
A Figura 3.2 ilustra este processo, considerando que, uma
corrente de
uma temperatura e razo de umidade elevada vai do ponto RA ao
ponto LA, que
mais frio e seco.
3.3 TRANSFERNCIA DE CALOR E MASSA EM SERPENTINAS ALETADAS
De acordo com JONES (2005), o processo de transmisso de
calor
para uma serpentina de resfriamento envolvem as seguintes
etapas: o fluxo de
calor da corrente de ar transferido para a parede externa das
aletas e tubos, em
seguida, passa atravs da parede de material metlico at a camada
interna, da,
para a pelcula do fluido refrigerante.
Em geral, a desumidificao ocorre simultaneamente ao
resfriamento, desta forma, o comportamento da serpentina no pode
ser descrito
em termos simples. Uma abordagem aproximada, adotada por alguns
fabricantes,
constitui-se de estabelecer um valor para o coeficiente global
de troca trmica (U
em W/g-K), para a serpentina onde se d um acrscimo para
compensar o fluxo
de calor extra em virtude da condensao. A quantidade total de
calor transferida
(CTH em kW) dada por:
= . . ( !)# (3.1)
24
onde At [m] a rea total de troca trmica da serpentina e (LMTD)aw
[C] a
diferena de temperatura mdia logartmica entre o ar e gua do
interior dos tubos
dada pela expresso que se segue.
=
)(
)(ln
)()()(
EWLA
LWEA
EWLALWEAaw
TT
TT
TTTTLMTD (3.2)
onde TEA [C], TLA [C], TEW [C] e TLW [C] so respectivamente as
temperaturas
de entrada e sada de ar e entrada e sada de gua gelada.
A quantidade de calor sensvel transferida atravs da serpentina
(CSH
em kW) tambm pode ser aproximada em termos da resistncia trmica
do filme
de ar na superfcie externa (Ra em mk/W) e da diferena logartmica
mdia de
temperatura entre a corrente de ar e a temperatura mdia da
superfcie externa da
serpentina ( (LMTD)as em C) conforme visto na Eq.(3.1).
atas RALMTDCSH /.)(= (3.3)
onde,
=
)(
)(ln
)()()(
smLA
smEA
smLAsmEAas
TT
TT
TTTTLMTD (3.4)
Sendo Tsm [C] a temperatura mdia da superfcie externa da
serpentina. Uma vez conhecidas as quantidades de calor total e
sensvel
25
removidos do ar pela serpentina, uma expresso para o fator de
calor sensvel
(CSHF) pode ser escrita.
CTH
CSHCSHF = (3.5)
O coeficiente global de troca trmica (U) est inversamente
relacionado
com as resistncias trmicas do filme de ar (Ra), dos tubos (Rtb),
das aletas (Rf) e
do filme de gua escoando dentro dos tubos (Rw), e expresso pela
equao
abaixo.
i
twftbaA
ARRSRRU +++=/1 (3.6)
onde Ai [m] corresponde a rea interna.
A resistncia trmica do filme de ar (Ra) tomada como o inverso
do
coeficiente de conveco do ar ha que depende principalmente do
fluxo de massa
da corrente de ar. McADAMS (1954) apud JONES (2005) desenvolveu
uma
expresso para ha, considerando uma serpentina com a configurao
de tubos
tranados e densidade de 316 aletas por metro (8 por polegada)
observada na
Eq.(3.7).
8,0)(42,27
11
Fa
auh
R == (3.7)
26
sendo $% a velocidade de face do ar passando atravs da
serpentina em m/s.
Caso a serpentina esteja apenas parcialmente mida, ento,
haver
dois valores para U; um usando CSHF(Ra) na Eq. (3.6) referente a
parte molhada
e outro usando apenas Ra referente a parte seca. A determinao da
fronteira
entre as reas seca e mida no direta, mas h mtodos disponveis
nos
Handbooks da ASHRAE e nas normas da AHRI (Air Conditioning,
Heating and
Refrigeration Institute).
JONES (2005) atravs da AHRI (1991) adota a Eq.(3.8) como uma
relao para a resistncia trmica das aletas.
)(1
CSHFRR af
=
(3.8)
A presena do fator de calor sensvel da serpentina ressalta que a
Eq.
(3.8) referente a serpentinas que operam midas sendo a eficcia
da
superfcie total e definida por:
( )tpf AAA /+= (3.9)
sendo Af [m] a rea total das aletas, Ap [m] a rea total externa
dos tubos e a
eficincia das aletas. Para aletas planas, a eficincia parece ser
virtualmente
independente da velocidade de face ou espaamento das aletas, por
outro lado, o
27
nmero de fileiras (rows), espessura da aleta e espaamento dos
tubos afetam
significativamente seu valor, conforme observado na Tabela
3.1.
Tabela 3.1 Eficincia aproximada de aletas planas para vrios
nmeros de fileiras.
Espaamento Espessura das Material Eficincia das aletas para
vrios n de fileiras
dos tubos [mm] aletas [mm] da aleta 2 4 6 8
37,50 0,15 Al 0,56 0,83 0,95 0,99
50,00 0,15 Al 0,42 0,73 0,90 0,95
37,50 0,42 Al 0,77 0,92 0,98 0,99
50,00 0,42 Al 0,66 0,87 0,95 0,97
37,50 0,15 Cu - 0,92 0,97 -
50,00 0,15 Cu - 0,84 0,94 -
37,50 0,42 Cu - 0,96 0,99 -
50,00 0,42 Cu - 0,94 0,98 -
A Tabela 3.1 baseada na AHRI (1991), para aletas planas,
velocidade
de face 2,5m/s e tubos de 15mm de dimetro externo. A reduo na
eficincia da
aleta pode ocorrer em funo do aumento do dimetro dos tubos ou do
incremento
carga trmica latente (McQUISTON et al,2005).
A resistncia trmica dos tubos referente rea total externa
dada
por McADAMS (1954) apud JONES (2005) como:
=
i
e
tb
e
i
ttb
d
dd
A
AR ln
2 (3.10)
sendo de e di, em m, respectivamente os dimetros externo e
interno dos tubos,
tb [W/mK] a condutividade trmica do material dos tubos.
28
E, por fim, a resistncia trmica da pelcula de gua no interior
dos
tubos, para temperaturas entre 4,4C a 100C pode ser obtida pela
equao
simplificada da ARI (1991).
( )[ ]8,02.0
9,201429 wwm
iw
uT
dR
+= (3.11)
No qual Twm [C] corresponde temperatura mdia da gua, uw [m/s]
a
velocidade mdia da gua no interior dos tubos.
Desta forma, pode-se calcular os valores do coeficiente global
de troca
trmica (U) e fazer uma estimativa aproximada da temperatura de
gua gelada
capaz de atender uma determinada carga.
3.4 IMPLEMENTAO DE UMA FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA
DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS
Para avaliar o porte das serpentinas de cada sistema
analisado
posteriormente foi necessrio desenvolver um cdigo computacional
em
linguagem FORTRAN. O programa usa o modelo exposto na sesso
anterior e
determina, principalmente, todas as reas de troca trmica, nmero
de rows,
eficincia, eficcia, coeficiente global de troca trmica e os
parmetros da gua
gelada necessria para atender a capacidade exigida. Para tal,
utiliza-se como
dados de entrada os seguintes parmetros:
29
Condies do ar na entrada e sada da serpentina;
Vazo de ar a ser tratada;
Alguns dados geomtricos;
E a diferena de temperatura da gua gelada;
O cdigo funciona calculando, primeiramente, a capacidade de
resfriamento da serpentina a partir das temperaturas de bulbo
seco e razo de
umidade do ar atravs da equao (3.12).
CLHCSHCTH += (3.12)
Ambos, calor sensvel (CSH) e latente (CLH), podem ser
determinados
em funo das equaes (3.13a) e (3.13b).
ar
LAEApar
v
TTcVCSH
)( =
&
(3.13a)
ar
LAEAoar
v
wwhVCSL
)( =
&
(3.13b)
Sendo &' , o calor especfico a presso constante adotado
como
1,006kJ/kg, (, o calor de vaporizao da gua adotado como
2501,3kJ/kg, e )#*,
o volume especfico do ar em m/kg. Uma vez conhecidas as cargas
sensvel e
total o fator de calor sensvel da serpentina pode ser
encontrado.
30
A velocidade de face um dado a ser fornecido ao programa e
sua
escolha depende da densidade de aletas (nmero de aletas por
metro). Jones
(2005), atravs de anlises e recomendaes de fabricantes, sugere
valores para
a velocidade de face (Tab. 3.2) e ressalta que estas no devem
ser excedidas
sem a utilizao de dispositivos de desumidificao quando o fator
de calor
sensvel for inferior a 0,65.
Tabela 3.2 Velocidade de face recomendada em funo do nmero de
aletas por metro.
N de aletas por metro Velocidade de face mxima [m/s]
316 2,50
394
2,20
476 2,10
Com a velocidade de face, possvel determinar a resistncia
trmica
do filme de ar e em seguida a rea total de troca trmica pela
aproximao da Eq.
(3.3). A diferena logartmica mdia do lado ar, descrita na Eq.
(3.4), est em
funo da temperatura mdia da superfcie da serpentina. Neste
modelo + um
parmetro conhecido resultante da simulao de cada sistema
proposto tendo seu
valor adotado como igual ao da temperatura de ponto de orvalho
da serpentina
(TADP).
O nmero de fileiras (,*) determinado em funo da rea de total
de
troca trmica e parmetros geomtricos tais como; rea de face (AF),
espessura
da aleta (f), nmero de aletas por metro (), comprimento da
serpentina (L), altura
da serpentina (b), espaamento dos tubos (e) e do dimetro externo
dos tubos
(-.). A Eq. (3.14) mostra como estes parmetros esto
relacionados.
31
[ ]
++
=
)1()()(42
2
22
fe
Addbbfe
e
L
fAAn
Fee
Ftr (3.14)
A espessura da serpentina (a), o nmero total de aletas (nf), o
nmero
total de tubos por row (nt/r) e nmero total de tubos (nt) podem
ser obtidos,
respectivamente, pelas equaes (3.15), (3.16), (3.17) e
(3.18).
rena = (3.15)
Ln f = (3.16)
ebn rt // = (3.17)
rtrt nnn /= (3.18)
A rea total das aletas (Af), a rea total dos tubos (Ap) e a rea
total
interna (Ai) podem ser determinado por:
( )[ ]
++=e
dbnbfbfaLA erf
2
)(2
2
(3.19)
tep nfLdA )1( = (3.20)
tii nLdA = (3.21)
32
Tendo em vista que o nmero de fileiras obtido pela Eq.(3.14)
pode ser
um valor fracionado, nr deve ser arredondado para cima. Como
consequncia
disso, a rea total de troca trmica deve ser recalculada
utilizando a Eq.(3.22).
pft AAA += (3.22)
A metodologia de THRELKELD et al (1998) para determinao da
eficincia da serpentina () foi incorporada ao modelo de JONES
(2005) para
tornar o programa computacional mais independente de informaes
do usurio,
pois Jones utiliza esta varivel como dado inicial.
THRELKELD et al (1998) mostram uma expresso para a eficincia
de
aletas circulares (equao 3.23) ilustradas na Fig. (3.3) e
plotada na Fig. (3.4).
J
J
)tanh(
= (3.23)
Figura 3.3 Ilustrao de aletas circulares de espessura uniforme
em corte.
33
Figura 3.4 Eficincia de aletas circulares (Adaptado de THRELKELD
et al, 1998).
A Figura 3.3 esquematiza uma aleta circular, onde r1 e r2
correspondem
ao raio interno e externo da aleta sendo J a sua diferena.
Como no possvel obter uma soluo matemtica exata para as
aletas retangulares planas, THRELKELD et al (1998) afirmam que
uma
aproximao pode ser feita assumindo que uma aleta retangular
equivalente em
desempenho a uma aleta circular desde que tenham a mesma rea. Da
uma
relao para r2 pode ser feita a partir da equao abaixo.
e
r =2 (3.24)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 1 2 3 4 5
Eficincia da aleta
J
34
Na equao 3.23, uma simplificao algbrica definida
principalmente pelo coeficiente de pelcula da gua na superfcie
externa (/(,) e
pela condutividade trmica do filme de gua condensada (kw) em
serpentinas
midas, mostrada a seguir.
fkw
wo,2 = (3.25)
e,
1
,
+=
w
w
aw
p
wok
y
RB
c
(3.26)
Na equao acima, yw a espessura do filme de material
condensado.
THRELKELD et al (1998) afirma a espessura da pelcula de
condensado no
influencia na preciso dos resultados finais e, portanto, foi
adotado 1,27x10-4m,
observado nos exemplos e exerccios de sua obra.
Bw taxa aplicada temperatura do filme de condensado (Tw).
THRELKELD et al (1998) disponibiliza em seu livro Thermal
Environmental
Engineering uma figura mostrando o comportamento de sua curva.
BARBOSA
(2011) fez um ajuste desse grfico (Figura 3.5) e, aproveitando
que est
disponvel em unidades SI, ser adotado neste trabalho (Equao
3.27).
35
Figura 3.5 Curva ajustada da taxa = (Adaptado de Barbosa,
2011).
20025,00149,01732,1 www TTB += (3.27)
3.4.1 Fluxograma funcionamento
Dada a metodologia apresentada, um fluxograma de processos
mostra
o funcionamento e as tarefas executadas pela rotina em
FORTRAN.
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40
Bw (kJ/kg-C)
Tsat (C)
36
Incio
Dados iniciais:-Propriedades do ar;-Velocidade de face;
-Comprimento da serpentina;-Dimetro dos tubos;-Espessura das
aletas;
-N de aletas por metro;Espaamento dos tubos;
Calcula presso e volume especfico
do ar;
Calcula a rea de face e altura da
serpentina;
Calcula CTH, CSH, CLH e CSHF;
Calcula resistncia trmica do filme de
ar;
Calcula (LMDT) do lado ar;
Calcula a rea total de troca trmica;
Determina:-N de rows;
-N total de aletas;-N total de tubos;
-Total de tubos/row;-rea total das aletas;-rea total dos
tubos;
-rea total interna-Recalcula rea total externa;
Faz a equivalncia das aletas
retangulares com as circulares;
Calcula a eficincia das aletas;
Calcula a taxa Bw;
Calcula a Resistncia trmica
das aletas;
Calcula a vazo de mssica de gua
gelada;
Calcula resistncia trmica do filme de gua no interior dos
tubos;
Calcula a velocidade mdia da gua no interior dos tubos;
Calcula a Resistncia trmica
dos tubos;
Determina o coeficiente global
de troca trmica da serpentina;
Determina as temperaturas de
entrada e sada da gua;
Imprime resultado
Fim
Figura 3.6 Algoritmo para dimensionamento de serpentinas
aletadas.
37
3.4.2 Validao do programa
Para a validao do cdigo computacional foram utilizadas duas
simulaes de dimensionamentos encontrados na literatura. A
primeira compara
com um exemplo proposto no livro Air Conditioning Engineering de
JONES
(2005). A segunda compara com o dimensionamento feito no estudo
de
MANSOUR e HASSAB (2012) pela aproximao numrica de uma tcnica
discreta conhecida como row-by-row method. Os dados iniciais e
os resultados
das simulaes se encontram, respectivamente, nas Tabelas (3.3) e
(3.4).
Tabela 3.3 Dados iniciais para dimensionamento de
serpentinas.
DADOS INICIAIS JONES MANSOUR et al.
Temperatura do ar na entrada da serpentina [C] 28 26
Temperatura do ar na sada da serpentina [C] 12 11,14
Umidade espec. do ar na entrada da serpentina [g/kg] 10,65
11
Umidade espec. do ar na sada da serpentina [g/kg] 8,062 8,1
Diferencial de temperatura da gua [C] 5,5 5
Temperatura mdia da superfcie da serpentina [C] 10,35 8,65
Vazo de ar a ser tratado [m/s] 4,75 2,38
Velocidade de face [m/s] 2,64 2,8
Comprimento da serpentina [m] 1,5 1,4
Espaamento entre os tubos (passo) [m] 0,0375 0,03175
Espessura das aletas [m] 0,00042 0,00015
Dimetro externo dos tubos [m] 0,015 0,01341
Dimetro interno dos tubos [m] 0,0136 0,01209
Nmero de aletas por metro de tubo 316 554
38
Tabela 3.4 Resultado das simulaes para validao do cdigo
FORTRAN.
PARMETRO JONES Este
Trabalho DESVIO
MANSOUR et al
Este Trabalho
DESVIO
Capacidade [kW] 125,7 123,24 -1,96% 60 61,13 1,88%
Calor sensvel [kW] 90,4 87,74 -2,94% 40 41,08 2,70%
Calor latente [kW] 35,3 35,5 0,57% 20 20,05 0,25%
CSHF 0,72 0,712 -1,11% 0,67 0,672 0,30%
Altura [m] 1,2 1,2 0,00% 0,635 0,61 -3,94%
Espessura [m] 0,225 0,225 0,00% 0,2 0,191 -4,50%
rea de face [m] 1,8 1,799 -0,06% 0,85 0,85 0,00%
Nmero de fileiras 6 6 0,00% 6 6 0,00%
N tubos/fileira 32 32 0,00% 20 20 0,00%
N total de aletas 474 474 0,00% 776 776 0,00%
N total de tubos 192 192 0,00% 120 120 0,00%
rea interna [m] 12,3 12,305 0,04% 6,363 6,381 0,28%
rea total aletas [m] 224,3 224,268 -0,01% - 154,461 -
rea total tubos [m] 11,76 11,77 0,09% - 6,489 -
rea total [m] 236,1 236,039 -0,03% 146,34 160,951 9,98%
Eficincia 0,98 0,98 0,00% 0,85 0,85 0,00%
Eficcia 0,98 0,98 0,00% - 0,85 -
Ra [mK/W] 0,01207 0,011943 -1,05% - 0,010754 -
Rf [mK/W] 0,000246 0,000244 -0,81% - 0,000109 -
Rtb [mK/W] 3,62E-05 0,0000361 -0,28% - 0,000045 -
Rw [mK/W] 0,004358 0,004432 1,70% - 0,005163 -
U global [W/mK] 59,8 60,043 0,41% - 62,225 -
TEW [oC] 7,3 7,52 3,01% 6 6,05 0,83%
TLW [oC] 12,8 13,02 1,72% 11 11,05 0,45%
[kg/s] 5,454 5,348 -1,94% 2,9 2,918 0,62% uw [m/s] 1,174 1,15
-2,04% 1,25 1,271 1,68%
Como pode ser observado pela Tabela 3.4, no h desvios
significativos na primeira simulao. O erro relativo mximo
ocorrido foi de
aproximadamente de 3% para a temperatura de sada da gua gelada.
Isso se
deve pelo fato de o autor utilizar um o volume especfico
constante no clculo da
capacidade de resfriamento da serpentina e tomar a eficincia das
aletas a partir
de tabelas. Ambos os parmetros influenciam diretamente no
coeficiente global de
troca trmica e, consequentemente, nas temperaturas de gua
gelada.
39
Na segunda simulao, o desvio mximo observado referente rea
total de troca trmica sendo prximo de 10%. Possivelmente, essa
diferena se
deve ao clculo indireto dessa varivel em funo da rea interna
total.
MANSOUR e HASSAB (2012) utilizam como parmetro de entrada a razo
entre a
rea total externa e a interna igual a 1 =23m/m, entretanto, o
cdigo
FORTRAN estima a em funo do nmero de fileiras, de modo que, a
relao
citada tambm fica aproximadamente 10% maior (25,22m/m no
FORTRAN)
gerando a divergncia ocorrida.
40
4 PSICROMETRIA EM SISTEMAS DE AR
CONDICIONADO
Neste trabalho sero analisados diferentes arranjos de sistemas
de ar
externo dedicado operando em paralelo a unidades terminais em
ciclos de
compresso de vapor, ou seja, atravs dos processos psicromtricos
realizados
no lado ar.
Primeiramente, ser modelado um sistema convencional que
constituir
a linha base para a comparao dos demais sistemas. Em seguida,
ser
implementado no sistema convencional um desvio do ar no retorno
realizado por
meio de registros de vazo (Dampers) criando uma corrente inclume
adicional e
controlada. Depois, o mais simples dos DOAS, constitudo apenas
por uma
serpentina de resfriamento e desumidificao (DOAS CC+TU). Outro
DOAS ser
analisado e, alm da serpentina, possuir um dispositivo de
recuperao de calor
que, neste estudo, ser uma roda entlpica (DOAS HW+CC+TU). Por
ltimo, ser
avaliado um DOAS com uma roda dessecante ativa integrada e
dedicada
desumidificao do ar externo (DOAS HW+DW+CC+TU).
Os modelos descritos nas prximas sees sero simulados por
anlise
numrica em linguagem FORTRAN para um dia tpico de cada ms com
dados
TMY (Typical Meteorological Year Ano Meteorolgico Tpico, em
portugus).
41
4.1 SISTEMA CONVENCIONAL
O arranjo tpico de um sistema de condicionamento de ar est
exposto
na Fig. (4.1). O modelo tradicional, o qual amplamente
encontrado em
equipamentos de mercado, comumente constitudo por uma serpentina
de
resfriamento (CC) e por um dispositivo de aquecimento ativado
apenas quando
necessrio.
O tipo do dispositivo de aquecimento depende da fonte de
energia
disponvel podendo ser composta por um banco de resistncias
eltricas (BRE),
mais comum, ou por um trocador de calor direto/indireto (HC) com
queima de gs
(GLP ou GN), ou ainda por rejeitos energticos de outros
sistemas.
Figura 4.1 Diagrama esquemtico do sistema convencional pelo lado
ar.
Este modelo parte do princpio de que uma parcela da vazo total
de ar
seja recirculada (RA) aps as trocas trmicas com o recinto.
Devido ao sistema
42
operar em ciclos, fatalmente, o ar recirculado ficar
contaminado, seja por agentes
qumicos (CO e CO2) ou biolgicos (vrus, fungos e bactrias). Da,
para minimizar
este efeito, deve-se introduzir uma determinada quantidade de ar
externo (OA), ou
de higienizao, em recintos climatizados em funo da rea e
concentrao de
pessoas (ANVISA, 1998).
Na caixa de mistura, as correntes de ar de retorno e externa
se
encontram e misturam-se compondo o estado EA que atravessa a
serpentina
sendo resfriado, desumidificado e em seguida insuflado para o
recinto novamente,
repetindo o ciclo.
De acordo com CARRIER (1966) e McQUISTON et al (2005) apenas
uma parte do ar que atravessa o evaporador do sistema insuflada
na mesma
temperatura da superfcie da serpentina (apparatus dew-point
temperature), a
outra deixa o equipamento na mesma condio de entrada, ou seja,
desviada
inclume, sem realizar transferncia de energia.
Esta parcela inclume proporcional ao que CARRIER (1966)
denominou de fator de desvio (BF), ou fator de desvio, um
adimensional de
carter energtico. Em seu trabalho mostrou trs relaes
equivalentes a partir da
entalpia, temperatura ou razo de umidade, conforme a Eq.
(4.1).
ADPEA
ADPLA
ADPEA
ADPLA
ADPEA
ADPLA
ww
ww
hh
hh
TT
TTBF
=
=
= (4.1)
Fontes como JONES (2005), McQUISTON et al (2005), THRELKELD
et al (1998), MANSOUR e HASSAB (2012), tambm apontam outras
influncias
43
sob o fator de desvio relacionadas geometria da serpentina, tais
como, o nmero
de aletas por metro linear, nmero de fileiras, espaamento dos
tubos e a
velocidade de face. A Tab. (4.1) mostra vrias faixas de valores
para o fator de
desvio em diversos tipos de aplicao considerando as
caractersticas da carga
trmica do recinto (a relao de calor latente e sensvel).
Tabela 4.1 Fator de desvio (BF) tpico para diversas aplicaes
(Fonte: Handbook of Air Conditioning System Design).
BF Aplicao Exemplo
0,30 a 0,50 Carga trmica baixa ou carga um pouco maior, mas
com baixo fator de calor sensvel (calor latente alto).
Residncias.
0,20 a 0,30
Aplicao tpica para conforto com uma carga trmica
relativamente pequena ou baixo fator de calor sensvel
com uma carga um pouco maior.
Residncia, pequenas
lojas de varejo, Fbricas.
0,10 a 0,20 Aplicao tpica para conforto. Lojas de
departamento,
Bancos, Fbricas.
0,05 a 0,10
Aplicaes com alto calor sensvel interno ou que
requerem uma grande quantidade de ar externo para
ventilao.
Lojas de departamento,
restaurantes, Fbricas.
0 a 0.10 Para 100% de renovao do ar interno. Sala de
operaes,
Fbricas.
Outra relao importante o fator de calor sensvel, que a razo
entre
o calor sensvel e o total e pode ser determinada de maneira
semelhante
Eq.(3.5) tanto para a serpentina (CSHF) quanto ao recinto (RSHF
fator de calor
sensvel do recinto) ou para o sistema (ESHF fator de calor
sensvel efetivo). Na
anlise psicromtrica a representao grfica do fator de calor
sensvel indica se
44
uma determinada carga trmica possui muito ou pouca carga
latente, em outras
palavras, quanto maior for SHF, menor sua parcela latente.
Conforme observado no trabalho de CARRIER (1966), fator de
calor
sensvel determina como deve ser feita a modelagem do sistema.
Neste estudo
sero abordadas apenas as situaes com baixa ou alta carga
latente.
4.1.1 Sistema convencional com baixa ou moderada carga
latente
a aplicao onde a curva ESHF possui inclinao moderada e cruza
a
linha de saturao do ar conforme observado na carta psicromtrica
da Figura 4.2.
Figura 4.2 Processos psicromtricos do sistema convencional com
carga latente baixa ou moderada.
45
Uma vez possvel determinar o ponto ADP, todo o sistema
acoplado
pode ser resolvido analiticamente.
Tendo em base o diagrama exibido pela Fig. 4.1, os balanos de
massa
em regime permanente para o sistema so dados conforme se
segue.
OARAEA mmm &&& += (4.2a)
SALAEA mmm &&& == (4.2b)
EXOA mm && = (4.2c)
Sendo a taxa de massa do ar externo, a do ar de retorno,
a do ar entrando na serpentina, a do ar saindo da serpentina e a
do ar de
exausto, todas em kg/s.
A Figura 4.3 ilustra em detalhes as correntes de ar envolvidas
no
balano energtico para o recinto. A corrente EA, que entra na
serpentina, a
soma das parcelas RA e OA. Conforme citado anteriormente, h uma
parcela de
ar em ambas as correntes que permanece inalterada, multiplicada
pelo fator de
desvio (BF) e outra que sai na temperatura da superfcie da
serpentina (1-BF).
Figura 4.3 Esquema das correntes de ar que entram e saem da
serpentina.
=EAEAhm&RARAhm&
OAOAhm&
RARABFhm&
ADPRA hBFm )1(&
OAOABFhm&
ADPOA hBFm )1(&
PF
RTH
RARABFhm&
RARA hBFm )1( &
RAOABFhm&
RAOA hBFm )1( &
CC Recinto
46
Fazendo um balano de energia para o volume de controle que
envolve
o recinto e conhecendo as igualdades das equaes 4.2,
obtm-se:
RTHhhBFmhhBFm RAOAOAADPRASA += )())(1( && (4.3)
A Equao (4.3) pode ser expandida em termos de temperatura e
razo
de umidade.
= &' +3( (4.4)
Deve ser observado que a parcela cpwT que corresponderia a
entalpia
da gua condensada, na Eq.(4.4), muito pequena em relao a ho e,
por tanto,
pode ser desprezada (McQUISTON, 2005).
Ao utilizar a Eq.(4.4), pode-se escrever dois balanos de
energia, um
para o calor sensvel (Equao 4.5a) , e outra para o calor latente
(Equao 4.5b).
RSHTTBFcmTTcBFm RAOApOAADPRApSA += )()()1( && (4.5a)
RLHwwBFhmwwhBFm RAOAoOAADPRAoSA += )()()1( && (4.5b)
onde RSH e RLH so, respectivamente, as cargas trmicas sensvel e
latente
internas (sem a carga de ventilao), em kW.
Com as equaes (4.5a) e (4.5b), obtm-se duas expresses para o
Fator de calor sensvel efetivo (ESHF) do sistema. A primeira
(equao 4.6a) leva
47
em considerao o a contribuio da carga de ventilao sob a carga
interna (RTH
e RSH). A segunda (equao 4.6b) mostra as trocas trmicas entre as
correntes
de ar do recinto e a saturada vinda da serpentina.
RTHwwhTTcBFm
RSHTTBFcmESHF
RAOAoRAOApOA
RAOApOA
++
+=
)]()([
)(
&
&
(4.6a)
)()(
)(
ADPRAoADPRAp
ADPRAp
wwhTTc
TTcESHF
+
= (4.6b)
Por fim, a potncia frigorfica (PF), ou capacidade, da serpentina
pode
ser determinada pelo balao de energia no volume de controle na
fronteira da
serpentina.
)]()()[1( ADPEAoADPEApSA wwhTTcBFmPF += & (4.7)
As expresses (4.3) a (4.7) compem as equaes de governo deste
modelo. Outros balanos pontuais podem ser feitos para auxiliar a
determinao
dos demais parmetros do modelo.
48
4.1.1.1 Implementao do cdigo computacional para o sistema
convencional sem reaquecimento.
A ferramenta computacional foi elaborada em linguagem FORTRAN
e
tem como objetivo determinar a capacidade (PF) e a condio de
operao da
serpentina (ADP), alm de todos os estados do ar em cada ponto do
ciclo.
O cdigo ter como dados de entrada a condio interna do recinto,
as
condies do ar externo, a carga trmica interna e o fator de
desvio.
A condio interna (RA) ser fixada em 24C de temperatura de
bulbo
seco e 50% de umidade relativa, ambos adotados a partir da norma
tcnica
brasileira ABNT NBR 16401. As condies externas sero obtidas a
partir dos
dados TMY da base SWERA os quais variam ao longo do ano. A vazo
do ar
externo tambm ser tomada a partir da norma ABNT NBR 16401, que
deve
atender a portaria da ANVISA que estipula 27m/h/pessoa.
Primeiramente, calcula-se o fator de calor sensvel do recinto e
as
umidades especficas do ar externo (OA) e (RA). A razo de umidade
dada pela
expresso a seguir.
)(
)(622,0
TPP
TPW
sat
sat
= (4.7)
Sendo P a presso da mistura, Psat a presso de vapor saturado,
ambas
em Pa. Para a determinao da presso de vapor saturado a
ASHRAE
Fundamentals (2009) recomenda o uso da Eq.(4.8).
49
# = 45 6789 + : + ; + < +
50
)( SARAoSA wwhmRLH = & (4.9b)
A condio do ar entrando na serpentina determinada pela
expresso
(4.1), resolvida para a temperatura EA e para a razo de umidade
EA. Com o
estado EA a capacidade do sistema (PF) pode ser obtida.
4.1.1.2 Algoritmo do programa para sistema convencional sem
reaquecimento
O funcionamento do cdigo est descrito no diagrama de fluxo
da
Figura (4.4).
Quando iterao de DZREAL no convergir para uma soluo,
significa
que no h um TADP capaz de satisfazer a Eq.(4.6b) e, portanto, a
linha de ESHF
no cruza a curva de saturao na carta psicromtrica, o que ocorre
quando o
ESHF baixo, ou seja, a carga latente alta. A rotina externa
tambm pode gerar
solues reais no plausveis, como por exemplo, temperaturas ADP
menores que
zero.
Em ambos os casos estes dados sero simulados novamente
considerando a necessidade de aplicar o reaquecimento do ar
mostrado na
prxima sesso deste trabalho.
51
Figura 4.4 Diagrama de funcionamento do programa de simulao do
sistema convencional sem reaquecimento.
4.1.2 Sistema convencional com alta carga latente
Esta uma situao especial que ocorre quando ESHF no intercepta
a
cura de saturao na carta psicromtrica ou quando a temperatura de
ponto de
orvalho da serpentina (ADP) absurdamente baixa. Isso ocorre
quando a carga
latente alta em relao a total (CARRIER, 1966).
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Para essa situao comumente realizada a introduo de uma carga
falsa adicional ao sistema, desacoplando o conjunto de equaes do
modelo
anterior. A carga falsa feita pelo aquecimento do ar insuflado
no recinto, ou seja,
introduzindo calor sensvel.
Nos equipamentos encontrados no mercado, geralmente, o
reaquecimento do ar realizado por bancos de resistncias eltricas
localizadas
no elemento BRE da Fig. (4.1). O reaquecimento tambm pode ser
feito por
serpentinas de aquecimento que podem, ou no, usar fontes de
energia
alternativas como rejeitos trmicos de ciclos de potncia.
A Figura 4.5 mostra os processos realizados nesta situao.
Nota-se
que os processos realizados so os mesmos, exceto, entre os
pontos LA (ar
saindo da serpentina) e SA (ar insuflado para o recinto depois
de aquecido), que
mostra um processo de aquecimento sensvel.
Figura 4.5 - Processos psicromtricos do sistema convencional com
carga latente alta.
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4.1.2.1 Implementao do cdigo computacional para o sistema
convencional com reaquecimento.
A metodologia adotada para a condio reaquecimento foi mostrada
por
CARRIER (1966) em Air Conditioning Handbook Design. Uma vez que
a vazo
de ar insuflado no fixa, a estratgia consiste em assumir a mxima
diferena de
temperatura permitida entre o ar insuflado e o recinto de modo a
contrabalancear
a carga trmica latente e sensvel do ambiente interno. Assim, o
critrio ser
adotar uma temperatura ADP e um ESHF, calcula