Calculo De Carga Termica Creder.. 1h63u

Disciplina Condicionamento de AR

CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA

ACT/DEM

Prof. Diniz

Cálculo de Carga Térmica. Carga térmica é quantidade de calor sensível e latente. Que deve ser retirada ou colocada no recinto (ambiente) a fim de proporcionar as condições de conforto desejadas. A carga térmica pode ser através de: Condução; Insolação; Dutos; Pessoas; Equipamentos; Infiltração e Ventilação.

1) Carga Térmica de Condução – Convecção – Calor sensível. Transferência de Calor por condução e por hora pode ser expressa, para materiais homogêneos, paredes planas e paralelas.

Q = A Φ ΔT Onde: Q > Taxa de fluxo de calor transmitido em Kcal/h A > Área da superfície normal ao fluxo em m2 ΔT > Diferença de temperatura entre as duas superfícies separadas pela espessura x em C°. Φ > Condução > K/x x > Espessura do material em (m ) K > Condutividade Térmica do Material por unidade de comprimento em Kcal. m /h.m2.C°.

Quando o material não é homogêneo, por ex: uma parede construída com tijolos, massa e isolamento têm: Φ = C > Condutância em Kcal / h. m2 C°. Caso de Convecção. Φ > h > Condutância da superfície contato ou filme – Kcal / h. m2 C°. Os valores da Condutância da Superfície ou filme – h – dependem da cor da rugosidade e da Velocidade do vento. Os valores médios para – h – quanto ao vento: Ar parado = 1,46 a 1,63 BTU / h ft2 °F = 7,13 a 9,96 Kcal / h. m2 C°. Ar a 12 Km/h = 4 BTU / h ft2 °F = 19,5 Kcal / h. m2 C°. Ar a 24 Km/h = 6 BTU / h ft2 °F = 29,3 Kcal / h. m2 C°. No caso de Condicionamento de ar usa-se o coeficiente global de transferência de calor –> Φ = U <– = Kcal / h. m2 C°. U => Coeficiente Global de Transmissão de Calor – definido como o Fluxo de Calor por Hora através de uma superfície de um metro quadrado (m2 ), quando a diferença de Temperatura do Ar dos dois Lados da parede ou teto ou outro é de um Grau Centígrado (1 °C). 1 BTU / h ft2 °F = 4,883 Kcal / h. m2 C° Tabela 1 => Apresenta Coeficiente de transferência de Calor dos materiais de construção. Exemplo (1 e 2) -> Unidade inglesa e SI

Tabela 2 => Diferença de Temperatura usada nos projetos – (Δ T) – Baseada na diferença de 9,4 C° entre a Temperatura externa e o recinto Condicionado. Tabela 3 => Coeficiente Globais de Transmissão de Calor – U – em Kcal/h. m2 C°. Exemplo (3) ->

2) Carga Térmica devido à Insolação – Calor sensível. É a energia solar que é a responsável pela maior parcela da carga térmica nos cálculos do ar condicionado, em geral como radiação e convecção. Por absorção – a energia de radiação solar pode ser introduzida nos recintos em maior quantidade quanto menos brilhante for a superfície refletora. Por exemplo: Energia Radiante em função da Cor. Tabela 4 Cor

Calor Refletido

Calor Absorvido

Alumínio Polido

72%

28%

Vermelho-Claro

37%

63%

6%

94%

Preto

De forma geral, têm-se outros Fatores que influenciam nesse percentual. Assim, a temperatura dos Tetos e Paredes depende:

>Tipo da Construção; > Coordenadas geográficas do local (latitude); > Inclinação dos raios do Sol (função da época do ano e da hora considerada); > Cor e rugosidade da superfície; > Refletância da superfície; Para estimativa da carga térmica temos que saber o horário da utilização do recinto (dependência) e fazer o cálculo da incidência máxima do Sol. Por exemplo: Tabela 5 (Valor do fator Solar obtidos experimental para parcelas em Kcal/h por m2 de área de vidro, ou W/m2 ). Hemisfério Sul – mês de verão, a parede recebe maior insolação é a voltada para o Oeste das 16 e 17 h. Para clarabóias (teto de vidro), ao meio dia. Mesmo sabendo como será a precisão da quantidade de calor por radiação e convecção vindo do Sol, não temos bem conhecido a parcela que penetra no recinto, as tabelas nos fornece um valor bem aceitável para o cálculo do ar condicionado.

2.1) Transmissão de Calor do Sol através de superfície transparente Vidro. A energia incidente do Sol numa superfície transparente subdivide em: > Refletida – q1 > Absorvida pelo vidro – q2

> Atravessa o vidro – q3 ( Parcela que interessa no cálculo da carga térmica)

Q q2

q1

Onde:

q3

Q = q 1 + q2 + q 3

Considerando a Tabela 5, supondo a janela sem proteção. Mas, caso seja protegidas por dispositivos de proteção deve-se multiplicar pelos coeficientes: Considerando janela com esquadrias de madeira. ¾ Toldos ou persianas externas –> 0,15 – 0,20. ¾ Persianas internas e refletores -> 0,50 – 0,66. ¾ Cortinas internas brancas (opacas) -> 0,25 – 0,61. Para esquadrias metálicas multiplicar pelo fator 1,15. Quando precisar de cálculos mais elaborados e com mais precisão observar os estudos sobre as considerações Físicas da Insolação do Sol. Exemplo -> (4)

2.2) Transmissão de Calor do Sol através de superfície Opaca Sabemos que as paredes, lajes e telhados transmitem Energia Solar para o interior do recinto através da condução e convecção: Q = A X U X [ Te – Ti ] + ΔT Onde: Q = Watts; A = Área em m2 ; U = Coeficiente Global de Transferência de Calor em Kcal/h. m2.C° Te = Temperatura do exterior em C°; Ti = Temperatura do interior em C°; ΔT = Acréscimo ao diferencial de Temperatura, Tabela (6) (Acréscimo ao Diferencial de Temperatura - Δ T em °F e °C. Exemplo -> (5)

3) Carga Térmica devido aos Dutos – Calor sensível. O ar insuflado num ambiente (recinto) condicionado retorna ao aparelho condicionador por meio da Diferença de Pressão que lhe fornecida pelo ventilador. O RETORNO pode ser feito de dois modos:

1 -> Sob forma de plenum ( utilizando um ambiente como o próprio recinto) por exemplo: um corredor, um teto rebaixado, uma escada etc. Como se fosse um conduto de Ar. 2 -> Utilizando propriamente dito um DUTO de Retorno. Lembre-se que o Ar de retorno é adicionado CALOR do recinto, o qual deve ser retirado pelas serpentinas do evaporador, em ambos os casos (1) e (2). Pergunta: Como determinar a carga térmica devido aos dutos se estes ainda não foram calculados? Assim, precisa saber qual a Quantidade de Ar a ser Insuflado no Recinto, -> essa quantidade de ar depende da Carga Térmica). Um caminho prático é estimar o traçado e as dimensões dos dutos, e assim, que chegar a quantidade de ar insuflado no ambiente e tendo-se calculado o sistema de dutos, fazer a verificação se a estimativa carga térmica está adequada, considerando uma margem de 10% de erro, caso contrário recalcular novamente a carga.

Tabela (7) (Coeficiente Global de

Transferência de Calor U para Dutos em BTU/h ft2 °F e em Kcal/h m2/C).

q = A . U . ΔT

Onde:

q = Watts ou Kcal/h; A = Área LATERAL do duto exposta ao calor, em m2 ; U = Coeficiente Global de Transferência de Calor, Tabela (7)

ΔT = Diferencial de temperatura entre o ar exterior e o ar interior ao duto em /C. A determinação da área lateral pode ser feita, ex: A = 2bc + 2ac = 2c (a + b). Se o duto ficar apoiado na parede ou laje, a área envolvida fica reduzida a A = c ( a + 2b).

c b a

4) Carga Térmica devido a Pessoas – Calor Sensível e Latente. A Umidade do Ar é VAPOR SUPERAQUECIDO e se aumentar a Umidade é aumentar a carga de Calor Latente. A mistura Ar e Vapor d’água

(ar úmido) do recinto é conduzida ao

equipamento Evaporador, aí se dá a Queda de Entalpia e conseqüentemente a diminuição do Calor sensível e Condensação da parte do Vapor com a queda da umidade. Assim o ar volta ao recinto Resfriado e desumidificado. O ganho de Calor Latente pode ser expresso em termos da massa da umidade. O valor médio do Calor Latente de Vaporização para o Vapor Superaquecido no Ar é de 583 Kcal/h por kg ou 1050 BTU/h por libra de vapor condensado. Assim, se desejarmos saber qual a quantidade de Calor Latente que deve ser retirado do AR que a pelo Equipamento Evaporador do Condicionador de Ar, para que haja Condensação da Umidade, basta multiplicar a Massa do Ar por esse fator. Exemplo -> (7). > Todo ser humano emite Calor Sensível e calor Latente conforme se o indivíduo esteja em Atividade ou em repouso. > Em atividade o ser humano pode emitir cinco vezes mais calor quando em repouso. > Considerando a Temperatura média normal do corpo 37°C (98,6 °F), verifica-se experimentalmente que quanto maior é a temperatura externa, maior é a quantidade de Calor Latente emitida, e quanto menor esta temperatura, maior é o Calor Sensível.

Isto é, O Organismo humano possui um controlador, mecanismo Termostático, que atuando sobre o Metabolismo, matem a Temperatura do corpo aproximadamente constante, embora varie as condições externas. ¾ Se a Temperatura exterior for superior a 37 °C, o Calor é transferido do exterior para o corpo. E isso provoca transpiração e conseqüentemente eliminação de vapor de água pela respiração, adicionando apenas Calor Latente ao Ar. ¾ > Se a Temperatura exterior é inferior a 15,6 °C (60 °F), a transferência de calor se dá do corpo para o ambiente (recinto), porém só na forma de Calor Sensível. ¾ Portanto entre essas duas temperaturas externas, 15,6 °C e 37°C, o corpo humano emite Calor Sensível e Calor Latente ao Ambiente (recinto), mantendo constate o Calor Total. A Tabela (8) – baseada na norma NBR-6401 – Calor liberado pelas pessoas em função da temperatura e das às Atividades. Exemplo -> (8) OBS: O organismo humano, para manter suas funções básicas, em repouso, exigidas pelo metabolismo, consome em média 16 litros de Oxigênio (°0 e 760 mm de Hg) por hora, em dados práticos, 10 m3 de ar por dia. No ar atmosférico introduzido no recinto apenas 21 % é Oxigênio. Assim, a quantidade de Oxigênio é: 10 m3 X 2,1 m3 por dia ou 2,1/24 = 0,087 m3 / h. Desse total apenas 7 % Oxigênio é absorvido pelo corpo, isto é, 0,07 X 0,087 = 0,006125 m3 / h.

Porém, como o ar introduzido no recinto se dilui no ambiente, há necessidade de ser compensado essa diluição com um aumento de 100 a 150 vezes desse volume (veja Tabela 15), para não haver acidentes por falta de Oxigênio.

5) Carga Térmica devido aos Equipamentos – Calor Sensível e Calor Latente. 5.1) Carga Devida aos Motores – Calor Sensível. Os motores Elétricos adicionam carga térmica quando dentro do recinto, em qualquer ponto do fluxo de Ar, seja nos Ventiladores, motivo perdas dos enrolamentos e precisa ser retirado do equipamento frigorífico. É preciso considerar se o motor está funcionando contínuo ou intermitente. Ventiladores dentro da corrente de AR: q = P / η (2.940)

q = P / η (733)

q -> BTU / h

q -> W

P -> HP

P -> CV.

η - > Rendimento do motor – η = 1 -> quando o ventilador estiver fora da corrente de AR. Exemplo: (9) ->. Exemplo: (10) ->. A Tabela (9) – Ganho de Calor em Watts por HP para Motores Elétricos.

5.2) Carga Devida a Iluminação – Calor Sensível. Iluminação Incandescente: q = total em Watts, unidades em SI. q = Watts x 3,4 -> quando, q, é dado em BTU / h. Iluminação Fluorescente: q = total de Watts x fator devido ao reator. Para se ter a Carga em Kcal / h => 1 kW-h = 860 Kcal. A iluminação Fluorescente precisa de um reator para dar a tensão necessária de partida. Esse equipamento adiciona 20% da Carga. Caso a instalação só dispões de reatores duplos ou de alto fator de potência essa carga adicional pode ser reduzida. Deve-se levar em conta que nem todas as lâmpadas estão ligadas ( acesas), isso no calculo inicial da carga, pois pode ocorrer carga térmica de insolação máximas em alguma horas, muitas lâmpadas podem ser desligadas. Exemplo: (11) -> A Tabela (10) – Valores recomendados para Consumo de Energia Elétrica para Iluminação.

5.3) Carga Devida aos Equipamentos a Gás – Calor Sensível e Calor

Latente. Locais

como

refeitórios,

cozinhas,

restaurantes,

cafeterias,

laboratórios, ambientes fabril, etc., poderá haver equipamentos de gás, cuja queima pode adicionar duas parcelas de carga térmica ao recinto: Calor devido a queima direta do gás e fumaça introduzida ao recinto. A Tabela (11) – Ganho de Calor devido ao Gás. Outros tipos de equipamentos consultem os fabricantes. Caso não encontrem, pode-se ter idéia dos cálculos com alguns dados: -> O gás natural libera na queima cerca de 35000 BTU / m3 (8820 Kcal / m3 ); -> O GLP libera cerca de 70000 BTU / m3 (17641 Kcal / m3 ); Note que: Um queimador de gás de 5 cm consome cerca de 0,30 m3 de gás por hora; Um de 10 cm consome cerca de 0,45 m3 de gás por hora. Para cálculo da carga térmica é suficiente considerar metade da carga como calor sensível e o como calor latente.

Exemplo -> (12) 5.3) Carga Devida tubulações – Calor Sensível Caso em que a tubulação de Condicionamento de Ar encontre no recinto tubulações de gás quente (vapor) ou água quente, provavelmente nas instalações Industriais. Exemplo -> (13)

A Tabela (12) – Carga Térmica devida as Tubulações Quentes em Watts por metro linear.

6) Carga Térmica devido a Infiltração – Calor Sensível e Calor Latente. O movimento do Ar exterior ao recinto provoca sua infiltração (penetração) através de fendas (pequenas aberturas), janelas, portas, ou outras aberturas. Essa infiltração adiciona carga térmica sensível ou latente. O cálculo não é muito preciso, porém pode-se ter uma estimativa. Dois métodos existem:

6.1) Método da troca de AR – Calor Sensível e Latente. A Tabela (13) – Trocas de Ar por Hora no Recinto.

Esse método supõe a troca de Ar por hora no recinto Trocar de ar quer dizer renovar o todo ar contido no recinto por hora. Assim, temos o Calor do ar exterior aumentando o calor do ar do recinto. Por exemplo: Se num quarto temos três paredes com janelas em cada uma em contato com o ar exterior, o calor devido a penetração (infiltração) é calculado na base de duas horas de troca. Conhecido o fluxo de AR em kg / h e a temperatura do ar exterior e do recinto (°C) – SI. Determina-se o calor sensível por: qs = m c ( Te – Ti )

qs -> Calor sensível em Kcal / h m -> fluxo de ar kg / h c -> Calor específico em Kcal / kg °C. Te -> Temperatura do ar exterior °C Ti -> Temperatura do ar interior ( recinto) °C Sabemos que 0,833 m3 é o volume ocupado por 1 kg de ar na CNPT. Logo como o calor específico – c –> na CNPT é 0,24 Kcal / kg °C. Q = vazão de ar em m3 / h. m = Q / 0,833 = 1,2 Q qs = 1,2 Q . 0,24 ( Te – Ti )

-> = > qs = Q . 0,29 ( Te – Ti )

A equação pode ser deduzida também para unidade inglesa.

Exemplo -> (14) 6.2) Método das Frestas - Calor Sensível e Latente. O ar que penetra no recinto depende da velocidade do vento. Quando a pressão do ar no recinto é superior à do ar exterior, não há infiltração, essa parcela pode ser desprezada. O ar que penetra no recinto aumenta a carga térmica em calor sensível e latente. A equação anterior determina o Calor Sensível e para o Calor Latente temos: ql. = 583 . C

C = ( U E2 . U E 1 ) . γ . Q ql. -> Calor Latente em Kcal / h U E2 -> Umidade Específica do ar no interior em kg / kg ar seco. U E1 -> Umidade Específica do ar na entrada em kg / kg ar seco γ -> Peso específico do ar e m kg / m3 Q -> Fluxo de ar em m3 / h A Tabela (14) – Infiltração (penetração) do Ar Exterior – multiplicados pelo comprimento linear da fresta, dão a quantidade de calor que penetra no recinto.

7) Carga Térmica devido a Ventilação – Calor Sensível e Calor o Calor Latente. O ar insuflado no recinto condicionado retorna ao equipamento de refrigeração, impulsionado pelo ventilador, o qual é dimensionado para vencer todas as perdas de cargas estáticas e dinâmicas existentes em todos os sistemas (circuito)de ar. Parte desse ar é perdida (perdas) pelas as aberturas, frestas, portas, exaustores e outras, precisando ser recompletadas pelo ar do exterior. Além desse ar que é recompletado, há o ar necessário às pessoas em m3 / h fornecido pela tabela 15 baseada na NBR – 6401. A Tabela (1) – Ar Exterior para Ventilação. O Ar exterior é introduz Calor sensível e Calor Latente ao ser misturado com o ar de retorno antes de ar pelo dispositivo de refrigera Evaporador.

Exemplo -> (15) Exemplo -> (16) 8) Carga Térmica TOTAL. De posse de todas as Cargas Térmicas apresentadas anteriormente, e adicionando-as, temos assim o somatório dos Calores Sensíveis e Calores Latentes a retirar (ou introduzir) do recinto (ambiente) para obter as condições de conforto desejadas. Somando ambas temos o Calor TOTAL Como segurança para atender às penetrações de calor eventual ao recinto, utilizamos o fator de 10% acrescentado ao cálculo. Geralmente os resultados são dados em Toneladas de Refrigeração – TR – assim, temos: 1 TR = 12000 BTU / h = 3024 Kcal / h = 3,52 kW.

9) Total de Ar de Insuflamento Determina-se a quantidade total de ar desde que conhecido: A carga térmica de calor sensível a ser retirado do recinto; Condições do ar interior; Condições do ar de insuflamento. Q = qs / 0,29 . (Ti – Te ) m Onde: Q = Vazão de ar em m3 / h.

Ti = Temperatura do recinto °C. Te = Temperatura de entrada no recinto °C. qs = Calor sensível Kcal / h.

Exemplo -> (17) Exemplo -> (18) 10) Cálculo da Absorção da Umidade dos Recintos. Para manter o conforto no verão temos que remover (ou adicionar) certa quantidade de umidade. O ar que é lançado no recinto absorve a umidade, e a TPO cresce. Desse modo a TPO do ar insuflado deve ser inferior à do ar do recinto. Também a TBS do ar insuflado cresce quando este fica em contato com ar do recinto condicionado. A Umidade absorvida pode ser expressa: mvt = m . ΔUE Onde: mvt -> Massa Total do Vapor de Água absorvido em kg / g m -> Massa do Ar em kg / g ΔUE -> Variação da Umidade do Ar de Insuflamento em kg / kg U E2 -> Umidade específica na entrada em kg / kg de ar seco U E1 -> Umidade específica na saida em kg / kg de ar seco Logo:

mvt = 1,2 Q (U E2 . U E1)

3

Q -> Vazão de ar em m / h.

Exemplo -> (19) 11) Cálculo do Calor Latente. Conhecendo a carga térmica de calor latente pode-se dimensionar o equipamento de Desumidificação para as condições desejadas. O objetivo desse Equipamento é de Condensar a Umidade adicionada ao Ar circulante dentro do Recinto Condicionado. Sabe-se que: o Calor Latente liberado pela condensação do Vapor de Água (vapor d’ água) é de 583 Kcal / h por kg de Vapor do Condensado. ql. = 583 . m Onde: ql. -> ganho de calor latente no recinto em Kcal / h m -> massa do vapor de água (vapor d’ água) Condensado em kg / h. OBS: Para se poder avaliar o valor Condensado, utiliza-se Δh (Variação de

Entalpia), entre o Ar de suprimento e o Ar na temperatura ambiente. Então: ql. = Q . γ . Δh ou ql. = 1,2 Q . Δh 3

Q -> Vazão de ar em m / h.

Δh -> Variação de Entalpia do Calor Latente em Kcal / h γ -> Peso específico do ar e m kg / m3 – > Ar padrão => γ = 1,2 kg / m3

Exemplo -> (20)