anexos resolvidos - Fenômenos de Transportes

anexos resolvidos - Fenômenos de Transportes

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ANEXOS

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

AGOSTO DE 2005

1- Desenhe uma torre de arrefecimento típica e indique os nomes dos seus componentes:

As torres de arrefecimento têm como função arrefecer a água utilizada na condensação dos fluidos refrigerantes.

Figura 1- Torre de arrefecimento típica e detalhe do enchimento

O enchimento detém a queda direta da água, aumentando a superfície de troca e o tempo de contato.

  1. Quais são os parâmetros a serem considerados ao selecionar uma torre de arrefecimento?

Para uma adequada escolha de uma torre de arrefecimento é preciso conhecer o limite de resfriamento da água. Se a água é resfriada em contato com o ar o ponto limite de equilíbrio a ser atingido é a temperatura do bulbo úmido do ar ambiente, ou seja: a água não poderá ser resfriada a uma temperatura inferior à TBU do ar. Além disso é preciso considerar a carga térmica do ambiente a ser climatizado e a temperatura de entrada da água quente. É importante registrar que a capacidade da torre é aproximadamente 25% superior à carga térmica ambiente, uma vez que o calor gerado no processo de compressão deverá ser retirado no processo de condensação pela água.

  1. Qual a função de uma válvula de expansão termostática em um sistema de refrigeração?

A válvula de expansão termostática é usada para regular o fluxo do refrigerante a fim de garantir que ele evapore totalmente na serpentina, para garantir a redução da pressão do sistema e ainda para manter um superaquecimento constante do vapor que deixa a serpentina. Elas podem ser do tipo equalização externa e equalização interna.

Figura 2- Esquema de funcionamento de uma válvula com equalização interna de pressão.

As válvulas de expansão termostáticas com equalização externa de pressão são utilizadas quando, ao fluir através do evaporador, o fluido sofrer uma queda de pressão elevada devido ao atrito. Dessa forma, sua temperatura de saturação é sempre mais baixa na saída do que na entrada. Como exemplo, considere a válvula com equalização externa de pressão, ilustrada na Figura 3, montada em um sistema com perda de carga no evaporador de 62kPa.

Figura 3- Funcionamento de uma válvula com equalização externa de pressão.

A tabela a seguir indica o que acontece quando abrimos, fechamos ou adicionamos mais fluido refrigerante no sistema.

Procedimento*

Superaquecimento

Aumenta

diminui

Abrir válvula

x

Fechar válvula

x

Adicionar refrigerante

x

Retirar refrigerante

x

* girar no sentido horário fecha a válvula; girar no sentido anti-horário abre a válvula.

  1. Explique o que é grau de superaquecimento do fluido refrigerante. Por que ele é utilizado?

O superaquecimento do fluido refrigerante à saída do evaporador, definido entre a diferença da temperatura de sucção (Ts) e a temperatura de evaporação saturada (Tev) pode ser medida através de um manifold, termômetro de bulbo ou eletrônico (com sensor de temperatura), isolante e tabela de conversão pressão-temperatura para o fluido refrigerante. Para tanto devemos colocar o bulbo em contato com a linha de sucção. A superfície deve estar limpa e a medição deve ser feita na parte superior do tubo, para evitar leituras falsas. Isole o bulbo ou sensor com o isolante de modo a isolá-lo da temperatura ambiente. Instale o manifold nas linhas de descarga (manômetro de alta) e sucção (manômetro de baixa). Depois que as condições de funcionamento se estabilizarem leia a pressão no manômetro da linha de sucção. Da tabela de R-22 obtenha a temperatura de evaporação saturada (Tve). No termômetro leia a temperatura de sucção (Ts). Faça várias leituras da temperatura. Subtraia a temperatura de evaporação saturada (Tev) da temperatura de sucção, a diferença é o superaquecimento. Se o superaquecimento estiver entre 4C e 6C, a regulagem da válvula de expansão está dentro do padrão. Se estiver abaixo, muito refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário fechar a válvula (girar parafuso de regulagem para a direita no sentido horário). Se o superaquecimento estiver alto, pouco refrigerante está sendo injetado no evaporador e é necessário abrir a válvula (girar parafuso de regulagem para a esquerda no sentido anti-horário).

5- Considere CFC 12 circulando através do sistema ilustrado na figura. Suponha que a pressão do fluido refrigerante no ponto 2 de 868kPa. O evaporador oferece uma perda de pressão de 50kPa. A válvula provoca uma perda de pressão de 600kPa. A pressão imposta pela mola é de 60kPa.

  1. Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador interno de pressão?

  2. Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador externo de pressão?

Solução: Podemos calcular a pressão 4 da forma:

P4= P2 – P válvula – P serpentina = 868 - 600 - 50= 218 kPa

  1. Observe o balanço de pressões no diafragma da válvula com equalização interna de pressão. No equilíbrio temos:

PB = PM + P3

PB = 60 + 268=328kPa

TB = Tsat (PB)=1,9C (Tabela de propriedades para R12)

T = T4 – Tsat(P4)

T = 1,9 – Tsat(218kPa) = 1,9 – (-10,2C)= 12,1C

  1. Numa válvula com equalização externa de pressão, o balanço de pressão sobre o bulbo fornece:

PB = PM + P4

PB = 60 + 218 = 278kPa

TB = Tsat (PB)= -3,1C

Como T4 = TB tem-se:

T = T4 – Tsat(P4)

T = -3,1-(-10,2) =7,1C

Nesse exemplo pode-se concluir que a válvula de expansão termostática com equalização externa é a mais adequada, uma vez que mantém o grau de superaquecimento dentro do que é considerado normal.

6- Como funciona um sistema fan-coil chiller com termoacumulação e por que ele é utilizado?

Nestes sistemas o ambiente a ser climatizado troca calor com um equipamento composto por uma serpentina e um ventilador (fan-coil). Pela serpentina tem-se água fria em circulação, proveniente do chiller. A troca térmica envolvida no fan-coil é apenas na forma sensível. Geralmente a água entra no fan-coil a uma temperatura de 7C e sai a uma temperatura de 12C. O calor retirado do ambiente climatizado é levado através da água em circulação é trocado com o fluido refrigerante no evaporador do chiller. Este fluido refrigerante é condensado através do uso de um fluxo de água que circula através de uma torre de arrefecimento. O fluxo de água necessário para este processo pode ser calculado através do conhecimento das propriedades do fluido refrigerante ou através da equação da troca de calor sensível aplicada para a água.

Uma composição típica deste sistema com termoacumuladores de gelo é muito utilizada para economizar energia nos horários de pico de consumo de energia elétrica. O sistema de refrigeração (chiller) é utilizado para fabricar gelo durante a madrugada a um custo de energia mais baixo. A água gelada proveniente do fan-coil é desviada para atravessar os tanques de gelo, fazendo com estes exerçam o papel do chiller no final da tarde e início da noite, quando o custo da energia elétrica é mais elevado.

  1. Desenhe um sistema do tipo fan-coil chiller com torre de arrefecimento e sistema de termoacumulação. Indique os nomes dos principais componentes (água gelada, água de condensação, água de resfriamento dos banco de gelo, fan-coil, chiller, bomba, torre de arrefecimento).

  1. Considere um sistema de climatização para um auditório de carga térmica de 50TR. Considere que as condições do ar externo são TBS = 32C e UR de 65%. Suponha que a temperatura de saída da água arrefecida pela torre seja 2C superior ao TBU do ar externo. Nestas condições, considerando um T de 5C, calcule qual a vazão de água (em litros por segundo) que deve circular pela bomba para o pleno funcionamento do sistema.

  1. Considere que uma torre de arrefecimento opere com uma vazão de 2000 litros de água por hora e que o diferencial de temperatura de sua entrada e saída seja de 7C. Calcule qual a capacidade da torre de arrefecimento em TR. (1TR = 3,517kW) (cag=4,186kJ/kgC)

10- Por que os sistemas de termoacumulação são utilizados em instalações de climatização de grande porte?

R. Com o aumento de custo de energia elétrica e devido ao fato das fontes de geração hidroelétrica, nosso principal recurso energético, estarem se esgotando ou cada vez mais distantes dos centros de consumo, começou-se a implantar no país uma tarifação diferenciada nos horários de maior consumo de energia. Essa medida visa um melhor aproveitamento da capacidade das usinas que praticamente tem operado no limite de geração nos horários de pico e ociosa nos demais períodos. Atualmente as concessionárias de energia elétrica praticam uma tarifação mais elevada em apenas três horas por dia, mas a exemplo de outros países, esse período tenderá a ser ampliado. Em um edifício, o sistema de ar condicionado é um dos maiores responsáveis pelo consumo de energia elétrica e um projeto adequado pode reduzir em muito a conta de eletricidade no final do mês. A termo-acumulação não leva a um menor consumo de energia. A redução do custo de energia elétrica é conseguida com a redução na potência da subestação e devido a uma transferência no horário de produção do frio, do horário de pico, onde a tarifação é mais elevada, produzindo e armazenando frio a noite quando a energia é mais barata. Outro fato que favorece o uso da termo-acumulação é o fato da mesma proporcionar uma redução na potência instalada. A carga térmica necessária na maioria das instalações de ar condicionado é variável, devido ao fato de serem também variáveis a carga de insolação e a própria ocupação dos ambientes. Em um sistema de ar condicionado convencional, a capacidade tem que ser baseada no horário de maior carga térmica, o que conseqüentemente faz com que os equipamentos fiquem superdimensionados e ociosos na maior parte do tempo. Na termo-acumulação pode-se dimensionar os equipamentos com uma capacidade inferior a capacidade do horário de pico, sendo a diferença completada pela queima da energia térmica acumulada em outro horário. Com isso, consegue-se instalações com potências menores e, conseqüentemente, menores subestações e menores demandas contratadas de energia elétrica.

11- Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada?

  1. É o meio mais simples e eficiente de armazenamento térmico. Durante o período no qual a carga térmica é reduzida ou no qual a instalação não está sendo utilizada, os chiller são ligados para armazenar água gelada em reservatórios isolados termicamente. Os reservatórios podem ser construídos tanto em chapa de aço como em concreto, sendo constituídos com várias câmaras interligadas segundo a técnica denominada “labirinto” ou mesmo em tanques unicelulares do tipo estratificado que reduzem as perdas por mistura e transmissão, aumentando a eficiência dos mesmos.

12- Quais as limitações de um sistema de termoacumulação que usa tanques de água gelada?

R. O tanque de água gelada tem duas limitações principais: o volume - é superior a solução de acumulação com gelo e em determinadas obras não há espaço disponível ou o espaço tem elevado valor comercial; A pressão - para pressões elevadas o tanque se torna inviável economicamente, o que limita a aplicação para prédios mais baixos.

13- Como funciona o sistema de termoacumulação que usa tanques de gelo?

R. Os tanques de gelo, diferentemente dos tanques de água gelada, necessitam de dois ciclos distintos: Ciclo de carga ou produção de gelo, no qual é formado gelo no interior dos tanques; Ciclo de descarga ou queima, no qual é consumido o gelo previamente acumulado. Existem diferentes tipos de tanques com diferentes concepções de acumulação de gelo. Os principais fornecedores destes tanques são: Alpina, Semco-Bac e Criogel. Nos sistemas de termo-acumulação em gelo é necessário a introdução na água do circuito de água gelada de uma substância, geralmente etilenoglicol ou propilenoglicol, cuja função principal é abaixar o ponto de congelamento da água permitindo a formação de gelo nos tanques. Esta mistura irá circular através do chiller e dos fan coils. No ciclo de consumo ou queima, a solução de água e etilenoglicol é resfriada ao passar pelos tanques, saindo do tanque a uma temperatura em torno de 2º C, sendo misturada com a solução proveniente do chiller, a uma temperatura mais elevada e enviada novamente aos climatizadores a uma temperatura em torno de 5 a 7º C.

14- Como funciona o sistema de termoacumulação que ice-balls?

R. Este sistema proporciona uma redução da capacidade projetada dos resfriadores e seus periféricos, economia no custo da energia empregada em sistemas de ar condicionado de grande porte, aumento da confiabilidade do sistema pelo uso de duas fontes de frio, e substancial ganho de espaço em áreas nobres quando comparado com outros sistemas de acumulação de energia térmica. As “Ice Balls” são pseudo-esferas em polímero plástico, que são armazenadas em reservatórios (tanques) de qualquer formato ou dimensão, adequando-se às necessidades e disponibilidades da obra.

15- Descreva fisicamente qual a relação entre a pressão de saturação do ar e a umidade relativa.

R. Sabemos que quanto maior a temperatura do ar, mais umidade pode ser dissolvida nele. Em uma dada temperatura, no limite da capacidade do ar absorver esta umidade temos o ar saturado com umidade relativa 100% e pressão de saturação (psat). O ar é uma composição de ar seco e umidade e cada um destes componentes tem uma pressão. A pressão da umidade chama-se pressão parcial de vapor. Quanto mais umidade dissolvida no ar, maior esta pressão de vapor - até o limite de psat (que é a máxima pressão parcial do vapor possível para aquela dada temperatura). Como a definição da umidade relativa é a relação entre pressão parcial de vapor (pv) e a pressão de saturação (valor fixo e definido para cada temperatura) temos que quanto maior a pressão parcial de vapor, maior a umidade relativa do ar.

16- O ar de uma sala atravessa uma serpentina de resfriamento e desumidificação (SRD). Calcule qual a capacidade da SRD se a condição de entrada foi de TBS = 30C e UR de 50% e a de saída foi de 20C e UR de 40%. A vazão do ar que atravessou a serpentina foi de 7200m3/h.

R. Para o cálculo do fluxo de massa de ar que atravessa a SRD é preciso conhecer o volume específico do ar na entrada da mesma. Este valor é obtido a partir da marcação da condição de entrada do ar na SRD na carta psicrométrica. Desta forma obtém-se v=0,878m3/kg. O fluxo de massa (kg/s) é obtido pela relação entre vazão (em m3/s) por o volume específico. Na carta psicrométrica devemos obter ainda as entalpias do ar na condição de entrada e de saída da SRD.

Observe ainda as unidades envolvidas no balanço de energia envolvendo a SRD.

17– Um fluxo de 4800 m3/h de ar a temperatura de 30C e UR de 50% é misturado com um fluxo de 10800m3/h de ar a uma temperatura de 20C e UR de 50%. Calcule qual a temperatura e a entalpia final da mistura do ar. Considere a densidade do ar como sendo 1,2 m3/kg.

Um balanço de energia em um volume de controle envolvendo a junção dos dois fluxos de ar fornece:

Traçando-se uma linha reta ligando os pontos 1 e 2 e uma reta a partir da entalpia 3 calculada obtemos na intersecção o ponto 3 na carta psicrométrica. Desta forma: TBS3=23,2C.

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