disciplina: sistemas térmicos · • uma vazão volumétrica de 0,3 m3/s de ar será...
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Disciplina:Sistemas Térmicos
Estimativa de Carga Térmica
• Para dimensionar adequadamente um sistema de climatização para um ambiente, algumas variáveis são primordiais:
• Temperaturas e teor de umidade para conforto, conforme atividade desenvolvida no ambiente, para inverno e verão.
• Temperatura e umidade estimada para a localização do ambiente.• Quantidade de pessoas estimado para o ambiente.• Radiação solar esperada nas janelas.• Condução de calor através das paredes e teto do recinto.• Fontes de calor no ambiente: equipamentos, luzes, etc.• Calor trocado pelo ambiente com o meio exterior por meio do fluxo de
ar através da ventilação, portas, etc.
Calor Sensível e Calor Latente
• Toda vez que um corpo perde ou ganha calor, variando sua temperatura, sem ocorrer mudança de estado, diz-se que este corpo perdeu ou ganhou calor sensível.
• Por exemplo, uma quantidade de água, na fase líquida, no caso de ser aquecida de 20 para 99oC, em pressão atmosférica equivalente à encontrada ao nível do mar, pode ser afirmado que a água ganhou calor sensível. Não houve mudança de estado da mesma no processo.
• Considerando ainda a mesma água, caso seja elevada sua temperatura de 99 para 100oC, ainda em pressão atmosférica equivalente a encontrada ao nível do mar, será observado que ocorrerá um princípio de mudança de fase, pois terá início a vaporização da massa de água.
• A partir do momento em que passou a ocorrer a vaporização, a temperatura da água permanecerá estável, até que toda a água líquida passe para o estado de vapor.
• O calor ganho pela água durante o processo de vaporização é chamado de calor latente. Observe que não houve mudança de temperatura!
• Do mesmo modo, se o vapor gerado pelo aquecimento da massa de água passar por um condensador que removesse seu calor, haveria a ocorrência de condensado (líquido) a 100oC.
• O calor removido seria também calor latente.• Resumindo:• Sempre que houver troca de calor envolvendo mudanças na
temperatura, sem mudança de estado físico, o calor trocado (ganho ou perdido) será denominado de calor sensível.
• Sempre que houver troca de calor envolvendo mudanças de estado físico, sem variação de temperatura, o calor trocado (ganho ou perdido) será denominado de calor latente.
Carta Psicrométrica, Calor Sensível e Calor Latente
• Para os exemplos apresentados a seguir, são utilizados 3 pontos da carta psicrométrica como referência:
• Ponto 1: TBS = 23,9oC e TBU = 17,2oC• Ponto 2: TBS = 29,4oC e TBU = 18,9oC• Ponto 3: TBS = 29,4oC e TBU = 25,0oC
TBS 24oC
TBU 17oC
1
TBS 29,4oC
TBU 19oC
2
TBU 25oC
3
TBS 24oC
TBU 17oC
Dados iniciais:TBS 23,9oCTBU 17,2oC
TBS 24oC
Dados iniciais:TBS 23,9oCTBU 17,2oC
TBU 17oC
Uabs 9,2 g H2O/ kg Ar
UR 50%
Entalpiah = 48 kJ / kgAr
• Propriedades dos pontos com base na carta psicrométrica:
Ponto 1 2 3TBS [oC] 23,9 29,4 29,4TBU [oC] 17,2 18,9 25,0UR [%] 50 38 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,2 9,4 18,2h [kJ / kg Ar] 48 54 76
• Exemplo de aplicação: aquecimento envolvendo somente calor sensível.
• Seja uma vazão de 0,472 m3/s de ar através de um aquecedor, recebendo calor sensível.* Estime a quantidade de calor trocada pelo radiador com o ar, por hora.
* Ocorre mudança de temperatura sem mudança de estado físico.
Ponto 1
Ponto 2
Ponto 1: TBS = 23,9oC e TBU = 17,2oCPonto 2: TBS = 29,4oC e TBU = 18,9oC
• Ponto 1: TBS = 23,9oC• Ponto 2: TBS = 29,4oC
푄 = 푚. 푐.∆푇
• Onde Q é a quantidade de calor trocada pela massa m, c é o calor específico e T, temperatura.
• Neste caso, o calor específico é o calor específico a pressão constante, do ar: cp = 1004 J/kg.K
• Considerando nível do mar, a massa específica do ar* pode ser estimada como sendo 1,2250 kg/m3.
• A vazão de 0,472 m3/s, multiplicada pela massa específica do ar, indica uma vazão mássica de 0,5782 kg/s de ar.
*ar = 1,2250 kg/m3 ao nível do mar, atmosfera padrão.
• Deste modo푄 = 푚. 푐.∆푇
푄 = 0,5782 × 1004 × 5,5 = 3192,8204퐽/푠
• Esta é a quantidade de calor trocada em 1 segundo. Como é necessário estimar a quantidade de calor trocada por hora, o resultado é então multiplicado por 3.600, obtendo 11.494,2 kJ/h.
• Convertendo para unidades inglesas, tem-se 10.894 BTU/h.
• Este cálculo também pode ser realizado empregando-se a entalpia de cada ponto.
1 kJ = 0,947817 BTU
• Ponto 1: TBS = 23,9oC, h = 48 kJ / kgAr• Ponto 2: TBS = 29,4oC, h = 54 kJ / kgAr• Desta forma será calculada a quantidade total de calor
(sensível mais latente) trocado pelo radiador com o ar. Entretanto, neste caso a quantidade total de calor é igual ao calor sensível, pois o calor latente é nulo.
푄 = 푚.∆ℎ
푄 = 0,5782 × 54 − 48 = 3,4692푘퐽/푠
• Multiplicando o resultado por 3.600, chega-se a 12.489,1 kJ/h.
• Convertendo para unidades inglesas, tem-se 11.837 BTU/h.
• Exemplo de aplicação: umidificação envolvendo somente calor latente.
• Seja uma vazão de 0,472 m3/s de ar através de um duto umidificador, recebendo somente calor latente.* Estime a quantidade de calor trocada por hora.
* Ocorrência de troca de calor envolvendo mudanças de estado físico, sem variação de temperatura
Ponto 2
Ponto 3
Fluxo de ar
Aspersão de água
• Propriedades:
• Vazão volumétrica: 0,472 m3/s • Vazão mássica: 0,5782 kg/s
• O calor latente trocado também pode ser estimado ao se calcular o calor total trocado no umidificador.
푄 = 푚̇ × ∆ℎ
Ponto 2 3TBS [oC] 29,4 29,4TBU [oC] 18,9 25,0UR [%] 38 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,4 18,2h [kJ / kg Ar] 54 76
• Vazão mássica: 0,5782 kg/s
푄 = 푚̇ × ∆ℎ
푄 = 0,5782 × 76 − 54 = 12,7204푘퐽/푠
• Convertendo as unidades, tem-se Q = 43.404 BTU/h.
Ponto 2 3TBS [oC] 29,4 29,4TBU [oC] 18,9 25,0UR [%] 38 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,4 18,2h [kJ / kg Ar] 54 76
• Exemplo de aplicação: resfriamento com desumidificação em uma serpentina.
• Uma vazão volumétrica de 0,472 m3/s de ar será desumidificada e resfriada em uma serpentina de um ar condicionado. Estime a quantidade de calor sensível e a de calor latente trocada por hora.
Ponto 3
Ponto 1
Serpentina do evaporador
Motor dos ventiladores
Evaporador (frio)
Válvula de expansão
Compressor
Condensador(quente)
@2003 HowStuffWorks.com
Serpentina do
condensador
Serpentina do evaporador
Ar externo
Retorno do ar resfriado no evaporador
acrescido de um pouco de ar externo.
Ar interno
• Propriedades:
• Vazão volumétrica: 0,472 m3/s • Vazão mássica: 0,5782 kg/s
• O calor total trocado também pode ser estimado usando-se a entalpia, mas neste caso é necessário estimar separadamente o calor sensível e o latente.
Ponto 1 3TBS [oC] 23,9 18,9TBU [oC] 17,2 25,0UR [%] 50 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,2 18,2h [kJ / kg Ar] 48 76
TBS 24oC
TBU 17oC
1
TBS 29,4oC
TBU 25oC
3
Para estimar separadamente o calor sensível e o latente usa-se um artifício.
1
3
Que consiste em desenhar um triângulo retângulo empregando os pontos inicial e final do processo como extremos da hipotenusa.
O vértice restante do triângulo deve ficar diretamente abaixo do ponto mais elevado da hipotenusa.
1
3
Este vértice restante do triângulo é chamado aqui de ponto Pr (ponto de referência).Através da carta, chega-se ao valor de entalpia correspondente ao ponto Pr, cerca de 53,5 kJ/kg Ar
Pr
Entalpiah = 53,5 kJ / kgAr
• Vazão mássica: 0,5782 kg/s
• Calor latente:푄 = 푚̇ × ℎ − ℎ
푄 = 0,5782 × 76 − 53,5 = 13,0095푘퐽/푠
• Convertendo, QL 44.390 BTU/h
Ponto 1 Pr 3TBS [oC] 23,9 - 29,4TBU [oC] 17,2 - 25,0UR [%] 50 - 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,2 - 18,2h [kJ / kg Ar] 48 53,5 76
Cateto vertical do triângulo !
• Vazão mássica: 0,5782 kg/s
• Calor sensível:푄 = 푚̇ × ℎ − ℎ
푄 = 0,5782 × 53,5 − 48 = 3,1801푘퐽/푠
• Convertendo, QS 10.851 BTU/h
Ponto 1 Pr 3TBS [oC] 23,9 - 29,4TBU [oC] 17,2 - 25,0UR [%] 50 - 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,2 - 18,2h [kJ / kg Ar] 48 53,5 76
Cateto horizontal do triângulo !
• Vazão mássica: 0,5782 kg/s
• Calor Total:푄 = 푚̇ × ℎ − ℎ
푄 = 0,5782 × 76 − 48 = 16,1896푘퐽/푠
• Convertendo, QT 55.241 BTU/h
Ponto 1 Pr 3TBS [oC] 23,9 - 29,4TBU [oC] 17,2 - 25,0UR [%] 50 - 70
Uabs [g H2O / kg Ar] 9,2 - 18,2h [kJ / kg Ar] 48 53,5 76
Exercício
• Seja uma operação de resfriamento com desumidificação em uma serpentina, similar a apresentada no último exemplo.
• Uma vazão volumétrica de 0,3 m3/s de ar será desumidificada e resfriada na serpentina de um ar condicionado, sendo as condições inicial e final tal como listadas na tabela a seguir.
• Estime a quantidade de calor total, sensível e latente trocada por hora.
Final InicialTBS [oC] 22 33TBU [oC] 14 25
• Vazão volumétrica: 0,3 m3/s Vazão mássica: 0,3675 kg/s
• Calor Latente: 푄 = 31.224퐵푇푈/ℎ• Calor Sensível: 푄 = 14.922퐵푇푈/ℎ• Calor Total: 푄 = 46.146퐵푇푈/ℎ
Ponto Final Pr InicialTBS [oC] 22 - 33TBU [oC] 14 - 25UR [%] 40,7 - 52,6
Uabs [g H2O / kg Ar] 6,7 - 16,7h [kJ / kg Ar] 39,1 51 75,9
Bibliografia
Procel, EletrobrásSistemas de Ar Condicionado. Rio de Janeiro RJ.
Obs.:Manual Prático Procel