Apostila Refrigeração e Ar Condicionado

Apostila Refrigeração e Ar Condicionado

(Parte 1 de 4)

Refrigeração e Ar Condicionado – Prof. Milton Serpa Menezes

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO Faculdade de Engenharia e Arquitetura

Prof. Eng. MILTON SERPA MENEZES Passo Fundo - RS, agosto/2005.

Refrigeração e Ar Condicionado – Prof. Milton Serpa Menezes

PLANO DE ENSINO (Inserir aqui o Plano de Ensino do seu Curso, que se encontra na mesma pasta)

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PLANO DE ENSINO2
SUMÁRIO6
1. APLICAÇÕES DE REFRIGERAÇÃO:9
1.1 Atuação do engenheiro9
1.2 Aplicações da Refrigeração e Ar Condicionado9
1.3 Noções Básicas9
2 PSICROMETRIA :12
2.1 CARTA PSICROMETRICA:12
2.2 LINHA DE SATURAÇÃO:12
2.3 UMIDADE RELATIVA:13
2.4 UMIDADE ABSOLUTA OU ESPECÍFICA:13
2.5 ENTALPIA:14
2.6 VOLUME ESPECÍFICO:14
2.7 TEMPERATURA DO BULBO ÚMIDO :14
2.8 FATOR DE CALOR SENSÍVEL:15
2.9 PROCESSOS:15
3 CARGA TÉRMICA:20
3.1 Carga Térmica de Refrigeração: (Sistemas de Refrigeração - Câmaras Frigoríficas )20
3.2 Condicionamento de Ar20
3.3 Carga térmica de Aquecimentos:20
3.4 PARCELA DE CARGA TÉRMICA DE CONDUÇÃO:20
3.5 CARGA DE INSOLAÇÃO:20
3.6 CARGA DEVIDO AO AR EXTERIOR:21
3.7 CARGA TÉRMICA DEVIDO AO PRODUTO:21
3.8 CARGA TÉRMICA DEVIDO À PESSOAS:2
3.9 CALOR DEVIDO A ILUMINAÇÃO E EQUIPAMENTOS:2
4 REFRIGERAÇÃO:23
4.1 Refrigerante:23
4.2 Funcionamento :23
4.3 Propriedades dos Refrigerantes:24
4.4 Ciclo Básico e Diagrama Pressão x Entalpia:25
4.5 Parâmetros Mais Importantes:25
4.6 Cíclos frigoríficos com trocadores de calor:27
4.7 Ciclo Real de Compressão a Vapor:28
5 COMPRESSORES:30
5.1 Tipos de compressores:30
5.2 Compressores Alternativos:30
5.3 Compressores de Palheta:34
5.4 Compressores de Parafuso:35
5.5 Compressores Centrífugos:35
5.6 Compressores Scroll:37
6 CONDENSADORES:41
6.1 Capacidade dos Condensadores:41
6.2 Tipos de Condensadores:41
6.3 Coeficiente Médio de Transferência de Calor:43

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6.5 Diferença Média Logarítmica de temperatura:4
6.6 Dimensionamento de Condensadores:4
7 EVAPORADORES:46
7.1 Evaporadores de Expansão Direta:46
7.2 Evaporadores de Expansão Indireta:47
7.3 Dimensionamento de um Evaporador:48
7.4 Lavadores de Ar:48
8 DISPOSITIVOS DE EXPANÇÃO :49
8.1 Tubos Capilares:49
8.2 Válvula de Expansão Termostática50
8.3 Válvula Manual52
8.4 Válvula de Expansão Constante ou Automática:52
8.5 Válvulas de Bóia:52
8.6 Válvulas de Expansão Elétrica:53
9 REFRIGERANTES:54
9.1 Compostos Halocarbônicos:54
9.2 Compostos Inorgânicos54
9.3 Hidrocarbonetos:54
9.4 Azeotropos:54
9.5 Características Termodinâmicas:5
9.6 Propriedades Físicas e Químicas:5
9.7 Escolha de Refrigerantes:5
9.8 Fluídos Alternativos:56
9.9 Refrigerantes Secundários :56
10 SISTEMAS MULTI PRESSÃO:58
10.1 Separador de Líquidos:58
10.2 Resfriamento Intermediário:58
10.3 Sistema com Um Evaporador e Um Compressor:59
10.4 Sistema com Dois Evaporadores e Um Compressor:59
10.5 Sistema com Dois Compressores e Um Evaporador:60
10.6 Sistema de Dois Compressores e Dois Evaporadores:60
10.7 Ciclo Binário ou em Cascata:61
1 TUBULAÇÕES DE REFRIGERANTE:63
1.1 Movimento do Óleo:63
1.2 Sistema com Compressores com Modulação de Capacidade:64
1.3 Linha de descarga:64
1.4 Linha de líquido:64
1.5 Linha de sucção:65
12 TORRES DE ARREFECIMENTO E CONDENSADORES EVAPORATIVOS:6
12.1 Torres de Arrefecimento:6
12.2 Condensadores Evaporativos:68
13 OUTROS ELEMENTOS DE REFRIGERAÇÃO:70
14 AR CONDICIONADO:73
14.1 Conforto Térmico:73
14.2 Metabolismo Humano:73
14.3 Trocas Térmicas do Corpo:73
14.4 Escalas de Conforto74

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14.6 Tratamento do Ar:7
14.7 Sistema de Condicionamento de Ar:7
14.8 Projeto de instalação de ar condicionado:79
14.9 Dados práticos82
15 VENTILAÇÃO:85
15.1 Composição do Ar:85
15.2 Quantidade de Ar Necessário a Ventilação:85
15.3 Tipos de Ventilação:86
15.4 Distribuição do ar em recinto:8
15.5 Perda de carga em dutos:8
15.6 6.6. Dimensionamento dos Dutos:91
15.7 BOCAS DE INSUFLAMENTO:94
15.8 Filtros:100
15.9 Ventiladores103
16 ISOLAMENTO TÉRMICO:104
16.1 Propriedades104
16.2 Isolantes Comerciais104
16.3 Cálculo da Espessura do Isolamento105
16.4 Isolamento de Equipamentos e Canalizações:106
16.5 Espessura Econômica de Isolamento106
17 OUTROS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO:107
17.1 Refrigeração por Absorção:107
17.2 Refrigeração Termoelétrica:112
17.3 Refrigeração por Adsorção:113
18 SISTEMA DE CALEFAÇÃO :114
18.1 Calefação Local:114
18.2 Calefação Central por Meio de Água Quente:115
18.3 Elementos de uma instalação de calefação central por meio de água quente:117
18.4 Circulação da Água :118
18.5 Calefação Central por Meio de Ar Quente:118
18.6 Água Quente para Consumo:118
18.7 Aquecimento Solar de Água:119

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1. APLICAÇÕES DE REFRIGERAÇÃO: 1.1 Atuação do engenheiro 1.2 Aplicações da Refrigeração e Ar Condicionado

1.3 Noções Básicas

• Energia - Capacidade de produzir trabalho-Formas de Energia (Kgm, J, Kcal, BTU) • Trabalho - É o produto da força pela (distância) deslocamento produzido por esta força.

• Potência - Quantidade de energia utilizada ou um trabalho realizado em um período de tempo. (W, Cv, HP)

• Temperatura - Medida do estado de agitação molecular de um corpo. (intensidade de calor)

• Escalas Relativas: Celcius -Fahrehneit

• Conversão de Unidades:

• Escalas Absolutas: No zero absoluto cessa o movimento vibratório molecular e as partículas estão mais próximas.

• Calor: É uma forma de energia →kcal →BTU

• Frio: É uma relativa ausência de calor

• Transmissão de calor: O calor sempre flui do corpo mais quente p/ o mais frio. o Condução: Transmissão de partícula em partícula. o Convecção: Transferência através de um fluido (convecção forçada ou natural) o Radiação: Transferência em forma de ondas.

• Calor Específico: É a energia necessária para elevar em 1 oK (ou oC) a temperatura de 1g de uma substância.

• Entalpia: É uma propriedade das substâncias que indica sua quantidade de calor.

• Entropia: É a medida das trocas de energia de um sistema com o meio. É a medida do grau em que energia de um sistema é imprestável.

• Calor Sensível: Calor que varia a temperatura.

• Calor Latente: Calor que varia o estado.

• Mudança de Estado:

• Medida de calor Sensível e Latente:

Ex.: Cálculo das quantidades de calor necessário para o aquecimento de 1 Kg de água a 20 oC até vapor a 150 oC.

Água 20 a 80 oC

SolidificaçãSólido Gasoso Líquido

Fusão Evaporação Liquefação

Sublimação

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Água de 80 a 100 oC

Qs = 1.1.20 = 20 Kcal/h. 50 % da Água a 100 oC tornando-se Vapor a 100 oC

101,8) h4 = Supondo que a metade evaporou-se h h h K cal

+50 % da Água a 100 oC tornando-se Vapor a 100 oC m = 1 kg h4 = 370,1 Vapor a 100 oC até vapor a 150 oC m = 1 kg

Qs = 25 Kcal c(vapor)= 0,5 kcal/ Kg ºc

• Curva De Saturação

• Título: É a fração de vapor na mistura líquida + vapor.

• Vazão: Vazão mássica: é a vazão em massa na unidade de tempo. Ex.: Kg/s Vazão volumétrica: é a vazão em volume na unidade de tempo. Ex.: m3/s

• Arrefecimento Diminuição da temperatura até a temperatura ambiente.

Mistura Líquido +Vapor

Líquido Ponto

Vapor

1o Bolha Última Gota

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• Resfriamento Diminuição da temperatura até antes da temperatura de congelamento.

• Congelamento Diminuição da temperatura até abaixo da temperatura de congelamento.

• Tonelada de Refrigeração (TR) Quantidade de calor necessário para transformar uma tonelada de gelo a 0 ºC em água a 0 ºC.

• Densidade e Volume Específico: A densidade de um Fluido é a massa que ocupa uma unidade de volume. O volume específico é o volume ocupado pela unidade de massa.

• Lei dos Gases Perfeitos: pv=RT

• Mistura de Gases: o Em uma mistura de gases, desde que não haja afinidade química entre os componentes, cada gás segue a própria equação de estado físico, independente da presença dos demais. o A pressão total de uma mistura de gases é igual a soma das pressões parciais de seus componentes. o Em uma mistura de gases, a soma tanto dos pesos como dos volumes de seus componentes é igual, respectivamente, ao peso e ao volume da mistura.

P = pressão absoluta (Pa) v = Volume específico (m3/Kg) R = constante do gás = 287 J/Kg.K para o ar e 462 J/Kg.K para a água T = Temperatura Absoluta

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2 PSICROMETRIA :

Psicrometria é o estudo das misturas de ar e vapor de água. O ar ambiente é uma mistura mecânica de gases e vapor de água, resultando daí a importância da psicrometria. Em alguns processos a água deve ser removida do ar, e em outros adicionada.

2.1 CARTA PSICROMETRICA:

A carta Psicrométrica inter-relaciona inúmeras grandezas da mistura de ar e de vapor de água de grande aplicação em cálculo de refrigeração e ar condicionado. O uso destes diagramas permite a análise gráfica de dados e processos psicrométricos facilitando assim a solução de muitos problemas práticos referentes ao Ar, que de outro modo requerem soluções matemáticas mais difíceis.

2.2 LINHA DE SATURAÇÃO:

As Cartas Psicrométricas apresentam como coordenadas a temperatura t, no eixo das abcissas e a pressão de saturação do vapor da água Ps (provisoriamente) no eixo das ordenadas.

A presença de Ar no vapor de água não altera o comportamento deste. A região de importância da carta será aquela limitada pelo eixos de coordenadas e a linha de saturação. Se o estado da mistura se dá sobre a linha de saturação o ar diz-se saturado, significando que uma redução adicional da temperatura causará uma condensação do vapor da água do Ar. À direita da linha de saturação o Ar não é saturado. Se o ponto A representa o estado do Ar, a temperatura da mistura deverá ser reduzida até a temperatura B para que a condensação tenha início. Diz-se que o Ar no estado A tem uma temperatura de orvalho B.

Linha de saturação Vapor

Temperatura, 0c

P r e s s ã o d e v a p o r d e á g u a

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2.3 UMIDADE RELATIVA:

A umidade relativa, é definida como sendo a razão entre a fração molar do vapor de água no Ar úmido e a fração do vapor de água no Ar saturado a mesma temperatura ou ainda pela fórmula ra temperatumesma a pura agua de saturacao de Pressao agua de vapor do parcial Pressao=∅

2.4 UMIDADE ABSOLUTA OU ESPECÍFICA:

A umidade absoluta, é a massa de água contida em um Kg de ar. A determinação da umidade absoluta pode ser feita com a equação dos gases perfeitos:

V .P =m st s ast s a s a s

: teremosValores os doIntroduzin (K) Absoluta Temperatua T J/Kg.K) (461,5Vapor do Gás de ConstanteR J/Kg.K) (287 Secoar do Gás de ConstanteR (Pa)Vapor do Parcial PressãoP (Pa) SecoAr do Parcial PressãoP (Pa) aAtmosféric PressãoP )(m Mistura da Volume V

) /Kg (Kg Absoluta UmidadeW :Onde

P-P=P
P Como

s a s a t

3 Ar de vaporde sta sat secoar agua devapor

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2.5 ENTALPIA:

A entalpia de uma mistura de ar seco e vapor de água é a soma das Entalpias dos componentes.

cCalor especifico a pressao constante do ar seco= 1,0 kJ/kg.K T = Temperatura da mistura h Entalpia do vapor saturado a temperatura da mistura kJ/kgpg= =

2.6 VOLUME ESPECÍFICO:

A equação dos gases perfeitos pode ser utilizada para a obtenção de volume específico e é definido como o volume em m3 de mistura por Kg de Ar, ou ainda, como sendo o volume em m3 de Ar seco por Kg de Ar seco, uma vez que os volumes ocupados pelas substâncias individualmente são:

v R TP kgaa a t s

2.7 TEMPERATURA DO BULBO ÚMIDO :

A temperatura do Bulbo Úmido depende da temperatura do bulbo seco e da umidade relativa do Ar, pois é a medida da relação entre as temperaturas de bulbo seco e a temperatura do orvalho do Ar.

Quando o Ar não saturado entra em contato com a água, esta evaporará no Ar a uma taxa proporcional à diferença de pressão entre a pressão de vapor da água, e a pressão

Refrigeração e Ar Condicionado – Prof. Milton Serpa Menezes do vapor do vapor de água no Ar. Por isso, quando um termômetro de bulbo úmido é movimentado no Ar, a água evaporará do feltro refrigerando assim a água remanescente no mesmo e o bulbo do termômetro, a alguma temperatura abaixo da temperatura do bulbo seco do Ar.

2.8 FATOR DE CALOR SENSÍVEL:

O Fator de Calor Sensível é a relação entre o calor sensível e o calor total do processo. Obtém-se a linha do fator sensível traçando uma linha paralela a linha FCS.

2.9 PROCESSOS:

Os processos com ar úmido podem ser representados graficamente em uma carta

Psicrométrica, onde podem ser facilmente interpretadas. Da mesma forma a carta pode ser utilizada na determinação da variação de propriedades tais como temperatura, umidade absoluta e entalpia que ocorre em processos, os processos mais comuns são:

AO –Umidificação sem Aquecimento: Se obtém através da injeção de vapor saturado. OB - Umidificação com Aquecimento: Se obtém com a injeção de vapor superaquecido.

OC - Aquecimento Sensível: Pode ser obtido com a passagem do ar através de uma serpentina quente, resistências elétricas aletadas, serpentina de ar condicionado funcionando em ciclo reverso, estufas, etc.

OD - Desumidificação Química: O vapor de água é absorvido ou absorvido por uma substância higroscópica.

OE - Desumidificação: É obtido com a combinação de dois processos OF e OC

OF - Resfriamento com Desumidificação: Pode ser obtida através da passagem do ar em uma superfície (serpentina) com temperatura inferior ao ponto de orvalho.

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OG - Resfriamento Sensível: Se obtém com da passagem do ar em uma serpentina com temperatura superior ao ponto de orvalho (antes do início da condensação).

OH - Umidificação Adiabática: É obtido com a injeção de gotículas de água em um sistema isolado, com a temperatura da água a temperatura de saturação Adiabática - Câmara de Aspersão.

OI - Umidificação com Aquecimento: É obtido com a injeção de gotículas de água. Mistura de Duas Correntes de Ar:

Um dos processos Psicrométricos mais freqüentemente encontrado, é a mistura de duas ou mais correntes de Ar com condições iniciais diferentes, em tais casos, a condição da mistura resultante é prontamente determinada através do uso de uma simples comparação massa energia.

Por exemplo na figura abaixo é mostrada a mistura de m1 Kg/s de Ar no estado 1 com m2 Kg/s de Ar no estado 2.

A mistura resultante encontra - se no estado 3, mostrado na carta Psicromértrica abaixo.

Aplicando-se as equações de conservação de energia e de massa m1h1 + m2h2 = (m1 + m2 ) h3 mostra que a entalpia é a média ponderada das entalpias que se misturam. Para as demais propriedades segue a mesma regra da conservação de massa do qual se obtém:

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1) Determine a umidade absoluta de ar com 60% de umidade relativa e uma temperatura de 300C, para uma pressão barométrica padrão de 101,3 kpa.

2) Determine o ponto sobre a linha isoentálpica de 95 kJ/kg correspondente a uma temperatura de 500C.

3) Qual é o volume específico de uma mistura ar-vapor de água cuja temperatura é de 24 oC e a umidade relativa de 20%, à pressão barométrica padrão?

4) Uma amostra de ar apresenta uma temperatura de bulbo seco de 300C e uma temperatura de bulbo úmido de 250C. A pressão barométrica é de 101 kpa. Usando as tabelas de vapor e as Equações determine: (a) a umidade absoluta se o ar é saturado adiabaticamente, (b) a entalpia do ar se este é adiabaticamente saturado; (c) a umidade absoluta da amostra pela Equação (d) a pressão parcial do vapor na amostra, e (e) a umidade relativa. Resp.: (a) 0,0201 kg/kg, (b) 76,2 kJ/kg, (c) 0,0180 kglkg; (d) 2840 Pa, (e) 67%.

5) Em um sistema de ar condicionado uma corrente de ar externo é misturada a outra de ar de retorno à pressão atmosférica de 101 kPa. A vazão de ar externo é de 2kg/s e suas temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido são iguais a 35 oC e 25 oC. O ar de retorno, a 24 0C e 50% de umidade relativa, apresenta uma vazão de 3kg/s. Determine (a) a entalpia da mistura, (b) a umidade absoluta da mistura, (c) a temperatura de bulbo seco da mistura a partir das propriedades determinadas nas partes (a) e (b), e (d) a temperatura da mistura pela média ponderada das temperaturas das correntes de entrada. Resp.(a) 59,lkJ/kg; (b) 0,01198 kg/kg; (~ 28,60C; (d) 28,40C.

6) Um ar à temperatura TBS = 2 oC e umidade relativa de 60% é aquecido através da passagem em uma bobina para TBS = 350C (Acréscimo de calor sensível). Achar: para TBS = 350C, a temperatura TBU e a umidade relativa, bem como a quantidade de calor adicionada ao ar por kg de ar fluente.

7) Um ar à temperatura TBS = 280C e UR = 50% é resfriado até a temperatura TBS= 12oC e TBU= 1 oC.

Achar: (a) o calor total removido; (b) a umidade total removida; (c) a razão de calor sensível no processo

8) Num ambiente Condicionado, o ar deve permanecer a 26 o C e a Umidade relativa a 45 %.

Determinar a temperatura que o ar deixa o evaporador, supondo-se que seja saturado.

9) Em uma instalação de ar condicionado temos a seguintes condições:

Internas: TBS= 25,5 oC e umidade relativa = 50 % Externas TBS= 34 oC e TBU= 27,2 oC A percentagem do ar exterior é 20% do total. Quais as temperatura TBS e TBU da mistura?

10) As condições do ar exterior são: TBS 340C e umidade relativa 65%As condições a serem

mantidas no recinto são TBS = 260C e umidade. relativa 45%. Se a vazão de ar é de 125 m3 , queremos saber a umidade que precisa ser eliminada dos equipamentos de refrigeração e a

Refrigeração e Ar Condicionado – Prof. Milton Serpa Menezes capacidade deste equipamento.

1) Uma sala tem um ganho de calor sensível de 3,6 Kw e um ganho de calor latente de 1,2 Kw. Ache o fator de calor sensível.

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3 CARGA TÉRMICA:

Carga térmica é a quantidade de calor que deve ser retirada ou fornecida a um local ou sistema, na unidade de tempo, objetivando a manutenção de determinadas condições térmicas.

3.1 Carga Térmica de Refrigeração: (Sistemas de Refrigeração - Câmaras Frigoríficas )

• Condução ou penetração • Infiltração de ar

• Produto

• Iluminação

• Motores e equipamentos

• Pessoas

3.2 Condicionamento de Ar

• Insolação • Condução

• Pessoas

• Infiltração de Ar

• Renovação de ar

• Iluminação

• Equipamento

3.3 Carga térmica de Aquecimentos:

• Condução • Infiltração de Ar

• Parcela a Diminuir

3.4 PARCELA DE CARGA TÉRMICA DE CONDUÇÃO:

Esta é uma parcela de calor sensível transmitido através das superfícies que limitam o ambiente.

K →coeficiente global de transmissão de calor (Kcal/m 2 h 0k) ver (Tab I e J da Springer)

A →área em m2

∆t→Diferença entre a temperatura do ambiente externo (te) e a temperatura desejada no ambiente (ti) = (te - ti )

3.5 CARGA DE INSOLAÇÃO: Esta é uma parcela de calor sensível devido a energia de radiação solar.

P essoas

Ilum inacao Equipam entos

(Que Ajudam no Aquecimento)

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Onde: ∆t’→ é a diferença de temperatura hipotética, dita de insolação, que varia com: →coordenadas geográficas do local (latitude)

→hora do dia

→orientação da superfície

→cor da superfície ∆t’→ Ver tabelas F e G da Springer

3.6 CARGA DEVIDO AO AR EXTERIOR:

É a parcela de calor trocado devido ao ar exterior que se introduz no ambiente através das frestas; portas ou para renovação do ar no ambiente, sendo uma parte calor sensível e outra latente.

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