Apostila Refrigera UFBA S2

UFBA Universidade Federal da Bahia

DEM Departamento de Engenharia Mecnica

ENG176

REFRIGERAO E

AR CONDICIONADO

PARTE II

AR CONDICIONADO

Prof. Dr. Marcelo Jos Pirani



i

NDICE

CAPTULO 1 CONFORTO TRMICO .................................................................................................................1 1.1 Introduo.......................................................................................................................................................1 1.2 Parmetros Bsicos em Condicionamento de Ar............................................................................................2 1.3 Diagramas de Conforto ..................................................................................................................................5

1.3.1 O Diagrama Bioclimtico dos Irmos Olgyay..........................................................................................5 1.3.2 A Temperatura Efetiva de Houghton e Yaglou .......................................................................................5 1.3.3 Norma ASHRAE 55 .................................................................................................................................6 1.3.4 As Equaes de Conforto de Fanger ......................................................................................................7 1.3.5 As Zonas de Conforto de Givoni. ..........................................................................................................10

1.4 Qualidade do Ar Interno ................................................................................................................................11

CAPTULO 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS...................................................................................................17 2.1 Introduo.....................................................................................................................................................17 2.2 Definies .....................................................................................................................................................17 2.3 Propriedades Termodinmicas de uma Substncia.....................................................................................19 2.4 Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes...................................................................................20 2.5 Primeira Lei da Termodinmica....................................................................................................................21

CAPTULO 3 CICLOS DE REFRIGERAO POR COMPRESSO DE VAPOR.............................................24 3.1 Introduo.....................................................................................................................................................24 3.2 Ciclo Terico de Refrigerao por Compresso de Vapor ..........................................................................24 3.3 Ciclo Real de Compresso de Vapor ...........................................................................................................26 3.4 Balano de Energia para o Ciclo de Refrigerao por Compresso de Vapor............................................27

3.4.1 Capacidade frigorfica............................................................................................................................27 3.4.2 Potncia terica de compresso ...........................................................................................................28 3.4.3 Calor rejeitado no condensador ............................................................................................................29 3.4.4 Dispositivo de expanso........................................................................................................................30 3.4.5 Coeficiente de performance do ciclo .....................................................................................................31

CAPTULO 4 REFRIGERAO POR ABSORO DE VAPOR.......................................................................38 4.1 Introduo.....................................................................................................................................................38 4.2 - Ciclo de Absoro .........................................................................................................................................39

CAPTULO 5 ESTIMATIVA DE CARGA TRMICA SENSVEL E LATENTE....................................................41 5.1 Introduo.....................................................................................................................................................41 5.2 Caractersticas do Recinto ...........................................................................................................................41 5.3 Fatores Que Influenciam na Carga Trmica do Ambiente...........................................................................42

5.3.1 Insolao ...............................................................................................................................................42 5.3.1.1 Determinao do Fator de Sombreamento -FS...........................................................................45

5.3.2 Insolao Atravs de Vidros..................................................................................................................46 5.4 Armazenamento de Calor.............................................................................................................................49



ii

5.5 Insolao nas paredes externas...................................................................................................................52 5.6 Insolao sobre Telhados ............................................................................................................................53 5.7 Transmisso de Calor devido diferena de Temperatura .........................................................................55

5.7.1 Vidros Externos .....................................................................................................................................55 5.7.2 Vidros Internos ......................................................................................................................................55 5.7.3 Paredes Internas ...................................................................................................................................55 5.7.4 Tetos e Pisos.........................................................................................................................................55

5.8 Carga de Iluminao ....................................................................................................................................56 5.8.1 Lmpadas Incandescentes ...................................................................................................................56 5.8.2 Lmpadas Fluorescentes ......................................................................................................................56

5.9 Carga de Ocupantes ....................................................................................................................................56 5.10 Carga de Motores Eltricos ........................................................................................................................56

5.10.1 Motor e mquina se encontram nos recintos ......................................................................................56 5.10.2 Apenas a mquina se encontra no recinto..........................................................................................57 5.10.3 S o motor se encontra no recinto ......................................................................................................57

5.11 Equipamentos Eletrnicos..........................................................................................................................57 5.12 Zoneamento................................................................................................................................................57

CAPTULO 6 PSICROMETRIA ..........................................................................................................................60 6.1 Definies Fundamentais .............................................................................................................................60

6.1.1 Presso Parcial (Lei de Dalton).............................................................................................................60 6.1.2 Ar seco. .................................................................................................................................................60 6.1.3 Ar No Saturado e Ar Saturado. ...........................................................................................................61 6.1.4 Umidade Absoluta (W). ............................................................................................................................61 6.1.5 Umidade Relativa (). ............................................................................................................................62 6.1.6 Entalpia Especfica do Ar mido...........................................................................................................62 6.1.7 Volume Especfico do Ar mido............................................................................................................64 6.1.8 Temperatura de Bulbo Seco. ................................................................................................................64 6.1.9 Saturao Adiabtica. ...........................................................................................................................64 6.1.10 Temperatura de Bulbo mido. ............................................................................................................65 6.1.11 Temperatura de Orvalho. ....................................................................................................................66 6.1.12 A Carta Psicromtrica..........................................................................................................................66

6.2 Transformaes Psicromtricas. ..................................................................................................................69 6.2.1 Mistura Adiabtica de Duas Correntes de Ar mido. ...........................................................................69 6.2.2 Aquecimento Sensvel ou Aquecimento Seco. .....................................................................................69 6.2.3 Resfriamento Sensvel. .........................................................................................................................70 6.2.4 Resfriamento e Desumidificao...........................................................................................................71 6.2.5 Resfriamento e Umidificao. ...............................................................................................................73 6.2.6 Aquecimento e Umidificao.................................................................................................................74 6.2.7 Aquecimento e Desumidificao. ..........................................................................................................74

6.3 Introduo ao Clculo Psicromtrico............................................................................................................75 6.3.1 Definies..............................................................................................................................................75 6.3.2 Carga Trmica.......................................................................................................................................77 6.3.3 Curva de Carga do Recinto...................................................................................................................77 6.3.4 Condicionamento de Ar de Vero .........................................................................................................79



iii

CAPTULO 7 CARACTERSTICAS DOS SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR ................................84 7.1 Introduo.....................................................................................................................................................84 7.2 Instalaes Apenas Ar..................................................................................................................................85

7.2.1 Instalaes com um Duto e Variao da Temp. e/ou da Vazo (Zona nica). ....................................85 7.2.1.1 Instalaes com regulagem da serpentina de resfriamento. .......................................................85 7.2.1.2 - Instalaes com by-pass da serpentina de resfriamento. ............................................................86 7.2.1.3 Instalaes com regulagem da serpentina de reaquecimento. ...................................................87

7.2.2 Instalaes com um Duto e Variao da Temp. e/ou da Vazo (Mltiplas Zonas). .............................88 7.2.2.1 Instalaes com vazo constante e temperatura varivel. ..........................................................88 7.2.2.2 Instalaes com temperatura constante e vazo varivel. ..........................................................88 7.2.2.3 Instalaes com temperatura e vazo varivel............................................................................90 7.2.2.4 Instalaes com vazo varivel e recirculao local. ..................................................................90 7.2.2.5 Instalaes Duplo Duto. ..................................................................................................................91

7.3 Instalaes Ar-gua. ....................................................................................................................................95 7.3.1 Instalaes de Induo a Dois Tubos. ..................................................................................................95 7.3.2 Instalaes de Induo a Trs Tubos. ................................................................................................100 7.3.3 Instalaes de Induo a Quatro Tubos. ............................................................................................102 7.3.4 - Instalaes de Fan-Coils Com Ar Primrio. .........................................................................................103

7.3.4.1 Instalao de fan-coil a dois tubos com ar primrio...................................................................104 7.3.4.2 Instalao de fan-coil a trs tubos com ar primrio. ..................................................................105 7.3.4.3 Instalao de fan-coil a quatro tubos com ar primrio. ..............................................................107

7.4 Instalaes Apenas gua...........................................................................................................................109 7.4.1 - Instalao de Fan-Coils a Dois Tubos. ................................................................................................109 7.4.2 Instalao de Fan-Coils a Trs Tubos. ...............................................................................................111 7.4.3 Instalao de Fan-Coils a Quatro Tubos.............................................................................................112

7.5 Instalaes de Expanso Direta.................................................................................................................113

CAPTULO 8 TERMOACUMULAO .............................................................................................................118 8.1 Introduo...................................................................................................................................................118 8.2 Escolhendo Armazenagem Total ou Parcial ..............................................................................................121

CAPTULO 9 MELHORIAS ENERGTICAS POSSVEIS. ..............................................................................124 9.1 Estrutura. ....................................................................................................................................................124 9.2 Sistemas de Condicionamento de Ar. ........................................................................................................126 9.3 Reduo do Consumo de Energia em Instalaes de Ar Condicionado. ..................................................130

9.3.1 Sistemas Com Vazo de Ar Varivel (VAV)........................................................................................130 9.3.2 Sistemas Com Vazo Constante (VAC)..............................................................................................131 9.3.3 Sistemas de Induo...........................................................................................................................131 9.3.4 Sistemas Duplo Duto...........................................................................................................................131 9.3.5 Sistemas de Zona nica. ....................................................................................................................132 9.3.6 Sistemas Com Reaquecimento Terminal............................................................................................132

9.4 O Ciclo Economizador................................................................................................................................133 9.4.1 Ciclo Economizador Controlado por Temperatura de Bulbo Seco. ....................................................133 9.4.2 Ciclo Economizador Controlado por Entalpia. ....................................................................................134

9.5 Resfriamento Evaporativo. .........................................................................................................................135 9.6 Controle e Regulagem................................................................................................................................137



iv

9.7 Uso de Motores Eficientes..........................................................................................................................137 9.8 - Uso de Inversores de Freqncia (VSD) ....................................................................................................138 9.9 Troca de Centrais de gua Gelada (CAG).................................................................................................140

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS....................................................................................................................147

ANEXO I: DIAGRAMAS DE MOLLIER PARA OS REFRIGERANTES R22 E R134A. ......................................149

ANEXO II: ROTEIRO DE CLCULO DE CARGA TRMICA .............................................................................151

ANEXO III: EXEMPLO COMPLETO DE CLCULO DE CARGA TRMICA......................................................156

ANEXO IV - TABELAS ........................................................................................................................................169



1

Captulo 1 Conforto Trmico 1.1 Introduo

Nesta seo so apresentados quatro ndices e critrios existentes utilizados para anlise e

avaliao de conforto trmico de edifcios. Frota (Frota, Manual de Conforto Trmico, p.17), estima

em trs dezenas os ndices de conforto existentes e disponveis para a avaliao de edifcios, como

habitaes, escolas escritrios etc..

No se pode afirmar que exista hoje um ndice ideal para se estabelecer uma zona de conforto

adequada para ambientes climatizados e no climatizados no Brasil. Existem alguns ndices

propostos por pesquisadores do exterior e existem tambm alguns trabalhos desenvolvidos por

pesquisadores brasileiros que analisaram estes ndices, buscando avaliar a sua aplicabilidade no

nosso pas e buscando identificar zonas de conforto nas quais, brasileiros, possam se sentir

confortveis.

Estabelecer os limites de uma zona de conforto uma tarefa extremamente difcil porque a

sensao de conforto, alm de estar ligada a uma srie de variveis, est tambm ligada

adaptao ao meio em que se vive, dificultando ainda mais a tarefa de encontrar um limite para o

qual se possa afirmar, que dentro dele, se tem conforto e fora dele se tem desconforto.

Conforto Trmico: condies ambientais de temperatura e umidade que proporcionam

sensao de bem-estar s pessoas que ali esto.

Figura 1.1 Fatores que afetam o conforto trmico.



2

Metabolismo: processo pelo qual o corpo converte a energia dos alimentos em calor e trabalho.

O calor que gerado continuamente pelo corpo deve ser eliminado a fim de que a temperatura

interna se mantenha constante. A energia total, M, produzida no interior do corpo dissipada da

seguinte maneira:

Trabalho externo realizado pelos msculos, W.

Dissipao de calor sensvel atravs da poro exposta da pele e roupas por conveco e

radiao, C + R.

Dissipao de calor latente por transpirao, Ersw, e difuso de umidade pela pele, Ediff.

Dissipao de calor sensvel por meio da respirao, Cresp.

Dissipao de calor latente devida respirao, Eresp.

Em condies de regime permanente,

( ) ( )resprespdiffrsw ECEERCWM +++++= (1.1)

A taxa de liberao de calor pelo corpo humano pode variar de 120 W para atividade

sedentria at 440 W para atividade intensa (ver Tab. 48, pg. 1-94 Carrier). Este calor representa

uma parcela muitas vezes importante da carga trmica de resfriamento de um sistema de ar

condicionado.

Embora nem todos os fatores que afetam o conforto sejam completamente entendidos, sabe-se

que o conforto diretamente afetado pelos seguintes fatores:

Temperatura

Umidade

Circulao do ar

Radiao de superfcies vizinhas

Odores

Poeira

Rudo

1.2 Parmetros Bsicos em Condicionamento de Ar

Um sistema de ar condicionado deve controlar diretamente quatro parmetros ambientais:



3

Temperatura do ar (bulbo seco)

Temperatura das superfcies circundantes

Umidade do ar

Velocidade do ar

A temperatura do ar facilmente medida enquanto que a umidade do ar pode ser descrita,

para uma dada presso, utilizando-se termos definidos em psicrometria. Estes incluem a

temperatura de bulbo mido e de orvalho, que podem ser medidas diretamente, e a umidade relativa,

que deve ser determinada indiretamente a partir das duas temperaturas acima. A velocidade do ar

pode ser medida diretamente e, at certo ponto, estimada dos conceitos tericos desenvolvidos em

mecnica dos fluidos. A temperatura das superfcies circundantes est diretamente relacionada com

as trocas radiantes entre uma pessoa e a sua vizinhana. O parmetro bsico utilizado para

descrever as condies de troca radiante em um espao condicionado a temperatura radiante

mdia, definida a seguir.

Temperatura radiante mdia: temperatura superficial uniforme de um invlucro negro

imaginrio com o qual a pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por radiao que aquela

trocada com o invlucro real.

O instrumento mais comumente utilizado para se medir a temperatura radiante mdia o

termmetro de globo de Vernon. Este consiste de uma esfera oca de 6 de dimetro, pintada de

preto, com um termopar ou termmetro de bulbo no seu centro. De um balano de energia, pode-se

mostrar que a temperatura de equilbrio do globo (temperatura do globo) est relacionada

temperatura radiante mdia por

( )ag2/14g4mrt TTVCTT += (1.2) onde: Tmrt temperatura radiante mdia, R ou K

Tg temperatura do globo, R ou K

Ta temperatura do ar ambiente (bulbo seco), R ou K

V velocidade do ar, ft/min ou m/s

C = 0,103 x 109 (unidades inglesas) e 0,247 x 109 (SI)

Pode-se definir ainda:



4

Temperatura operacional: temperatura uniforme de um ambiente imaginrio com o qual a

pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por conveco e radiao que aquela trocada com o

meio real.

A temperatura operacional a mdia entre a temperatura radiante mdia e a temperatura do ar

ambiente ponderadas pelos respectivos coeficientes de transferncia de calor. Entretanto, para as

aplicaes prticas usuais, a temperatura operacional pode ser tomada simplesmente como:

2

TTT mrtbsop+

= (1.3)

denominada temperatura de bulbo seco ajustada.

As restries utilizao da aproximao acima so:

Temperatura radiante mdia menor que 50 C

Velocidade do ar menor que 0,4 m/s

Considerada o parmetro ambiental mais comum e de aplicao mais difundida, a temperatura

efetiva, ET*, a temperatura de um ambiente com 50% de umidade relativa que causaria a mesma

perda total pela pele que aquela verificada no ambiente real. Portanto, a temperatura efetiva

combina a temperatura de bulbo seco e a umidade relativa em um nico ndice de maneira que dois

ambientes com a mesma temperatura efetiva causariam a mesma sensao trmica embora os

valores individuais de temperatura e umidade possam diferir de um caso a outro. Uma vez que a

sensao trmica de indivduos depende das vestimentas e do nvel de atividade fsica, define-se

uma temperatura efetiva padro, SET*, para condies internas tpicas. Estas so:

Isolamento devido s vestimentas = 0,6 clo*

ndice de permeabilidade umidade = 0,4

Nvel de atividade metablica = 1,0 met **

Velocidade do ar < 0,10 m/s

Temperatura ambiente = temperatura radiante mdia

* 1 clo = 0,155 m2 C/W admitindo-se um isolamento uniforme sobre todo o corpo.

** 1 met = 58,2 W/m2, taxa metablica de uma pessoa sedentria (sentada, em repouso) por unidade

de rea superficial do corpo.



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1.3 Diagramas de Conforto

1.3.1 O Diagrama Bioclimtico dos Irmos Olgyay

Os irmos Victor e Aladar Olgyay foram, segundo Izard (1983), os primeiros

cronologicamente a estudar com profundidade a noo de conforto trmico e, segundo Scarazzato

(1987), os primeiros a tentar estabelecer suas relaes com os ambientes interiores das edificaes,

atravs do chamado diagrama bioclimtico, que representa uma preocupao em estabelecer

relaes entre conforto fisiolgico, clima e arquitetura. As pesquisas dos irmos Olgyay resultaram

em um grfico conhecido como Diagrama Bioclimtico de Olgyay que relaciona a temperatura do ar e

a umidade relativa, criando uma zona de conforto entre estes dois parmetros. A Figura 1.2 indica

este diagrama para pessoas que estejam realizando trabalho sedentrio e vestindo um clo em

climas quentes. um cIo equivalente a uma pessoa exercendo uma atividade sentada em edifcio

de escritrio e trajando palet de l, gravata e camisa, para o sexo masculino ou o equivalente para o

sexo feminino. Trata-se de um diagrama muito utilizado por alguns pesquisadores e algumas vezes

criticado por outros.

Figura 1.2: Diagrama bioclimtico dos irmos Olgyay.

1.3.2 A Temperatura Efetiva de Houghton e Yaglou

O diagrama da temperatura efetiva -TE, conforme indicado na Figura 1.3, foi construdo sobre

escalas de temperatura, umidade relativa e velocidade do ar, onde, pelo cruzamento destes trs



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dados, obtm-se a temperatura efetiva corrigida -TEC. Ramn (1980) ressalta que este foi o primeiro

ndice que considerou a umidade relativa na definio de conforto ambiental, alm da temperatura do

ar. O diagrama proposto contm uma rea com hachuras que indica uma zona de conforto para

pessoas em trabalho normal, leve, e vestindo um clo.

Figura 1.3: Diagrama de Temperatura Efetiva de Houghton e Yaglou.

1.3.3 Norma ASHRAE 55

A norma ASHRAE Standard 55 define as condies para um ambiente termicamente aceitvel,

mostradas esquematicamente como zonas de conforto na Figura 1.4. Os limites superiores e

inferiores foram tomados considerando-se fenmenos associados umidade do ar, como por

exemplo, ressecamento da pele, irritao dos olhos, dificuldades respiratrias, proliferao de

microorganismos, etc. As linhas limtrofes oblquas correspondem a valores determinados de ET*.

As coordenadas das zonas de conforto so:

Inverno: Top = 20 a 23,5 C e 60% de umidade de relativa

Top = 20,5 a 24,5 C e Td = 2 C

ET* igual a 20 e 23,5 C



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Vero: Top = 22,5 a 26 C e 60% de umidade de relativa

Top = 23,5 a 27 C e Td = 2 C

ET* igual a 23 e 26 C

Finalmente, as zonas de conforto da Figura 1.4 podem sofrer alteraes quando houver

variaes da velocidade do ar. Por exemplo, temperaturas mais altas do ar podem ser toleradas

quando houver um aumento da velocidade do ar.

Figura 1.4 Faixas aceitveis para a temperatura operacional e umidade para pessoas em roupas

tpicas de vero e inverno e exercendo atividade sedentria (< 1,2 met). 1.3.4 As Equaes de Conforto de Fanger

Os estudos de Fanger na rea de conforto iniciaram-se na "KSU - Kansas State University"

em 1966 e 1967 e continuaram por um perodo mais longo na "Technical University of Denmark". O



8

objetivo principal de Fanger foi estabelecer uma condio preditiva de conforto que pudesse ser

calculada mediante sete parmetros, sendo quatro do prprio meio ambiente e trs dos usurios, a

saber:

Temperatura de bulbo seco;

Umidade relativa;

Temperatura radiante mdia;

Velocidade do ar;

Taxa metablica por atividade;

Resistncia trmica da roupa;

Eficincia mecnica.

Eficincia mecnica no ndice de Fanger a componente da energia metablica que no

transformada em calor e devolvida ao ambiente, mas transformada em trabalho. Em atividades

tpicas de escritrio esta componente igual a 1 e portanto desconsiderada nas equaes. Por meio

de equaes, Fanger possibilitou o clculo de determinadas variveis como, por exemplo, a

temperatura de conforto do ar ou a temperatura radiante necessria para o conforto ou a temperatura

de conforto de um indivduo vestindo 2,0 cIo. Uma outra possibilidade de aplicao do trabalho de

Fanger consiste na determinao do Voto Estimado Mdio -VEM (do ingls PMV - Predicted Mean

Vote) ou do Percentual de Pessoas Insatisfeitas - PPI (do ingls PPD - Predicted Percentage

Dissatisfied). Neste caso, as equaes de Fanger so utilizadas de forma a comparar os resultados

do VEM e PPI obtidos por elas mediante a entrada dos dados reais medidos nos estudos de caso,

com os resultados dos nveis de satisfao dos usurios obtidos por meio dos questionrios. Como

forma de acelerar os clculos e a aplicao das equaes de Fanger, utilizou-se uma rotina

computacional elaborada por Vittorino e testada em inmeras pesquisas conduzidas pelo Laboratrio

de Higrotermia e Iluminao do Instituto de Pesquisas Tecnolgicas do Estado de So Paulo -IPT. As

equaes propostas por Fanger foram normatizadas pelas normas ISO (International Organization for

Standardization, (1984). ISO - 7730 - Moderate Thermal Environments -Determination of the PMV

and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. Switzerland) e vm sendo

aplicadas por pesquisadores de diversas instituies no Brasil e no exterior, sendo tambm

reconhecidas pela ASHRAE, como umas das referncias de avaliao do nvel de satisfao de

conforto ambiental. Os critrios adotados pela ASHRAE e pela norma ISO-7730 para os valores

aceitveis de Fanger, so apresentados na Tabela 1.1.

Nota-se pela Tabela 1.1 que os valores da norma ISO so mais restritivos que os valores da

ASHRAE. Entretanto, as aplicaes de Fanger feitas pelo IPT em edifcios dos mais variados na

cidade de So Paulo, tm demonstrado a escala de valores da ASHRAE mais adequada para



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ambientes no climatizados enquanto que a escala da ISO adequada para ambientes climatizados.

Fanger trabalha com uma escala de sete pontos, sendo uma situao ideal e neutra, trs situaes

tendendo para o quente e trs situaes tendendo para o frio, segundo a classificao apresentada

na Tabela 1.2

Tabela 1.1 Variaes de valores aceitveis em Fanger.

Variaes de valores aceitveis em Fanger

Entidade ISO-773O ASHRAE

VEM -0,5 a +0,5

-0,85 a +0,85

PPI 10% 20%

Tabela 1.2 Escala de Fanger.

-3 = gelado -2 = frio

-1 = ligeiramente frio 0 = neutro

+1 = ligeiramente quente +2 = quente

+3 = muito quente

A ASHRAE aceita uma populao mxima de insatisfeitos de 20% enquanto que a Norma

ISO aceita um mximo de 10% de insatisfeitos. A ttulo de exemplo, aplicando as equaes de

Fanger para uma situao bastante usual e utilizada no projeto de climatizao de edifcios no Brasil,

obtm-se os resultados apresentados na Tabela 1.3

Tabela 1.3 Resultados da aplicao das equaes de Fanger.

T (C) 24,0

URA (%) 50,0

TR (C) 24,5

Resistncia da Vestimenta (clo) 1,0 Velocidade do Ar (m/s) 0,1

Taxa de Metabolismo (%) 70,0

Resultados para esta simulao:

VME PPI

+0,58 12,1 %



10

Na anlise de Fanger, um usurio nas condies de simulao possui Voto Mdio Estimado

de +0,58 e sente-se entre o neutro (O) e ligeiramente quente (+1), no atendendo, portanto, a norma

ISO-7730, atendendo apenas a ASHRAE. A Populao Mdia de Insatisfeitos para as mesmas

condies de 12,1%, no atendendo tambm a norma ISO-7730, atendendo somente as

recomendaes da ASHRAE. Este um dado interessante tendo em vista que a simulao

realizada, feita com base na norma internacional ISO, indica que uma parcela significativa dos

projetos de climatizao para os edifcios de escritrio na cidade de So Paulo no atende a esta

norma.

1.3.5 As Zonas de Conforto de Givoni.

As pesquisas de Givoni e Berner-Nir no BRS - Building Research Station em Haifa, Israel, em

1967, resultaram na proposio de um novo ndice chamado IFT - ndice de Fadiga Trmica ou

"lndex of Thermal Stress" que descreve os mecanismos de troca de calor entre o corpo e o meio. A

partir da aplicao e aferio do IFT, Givoni props um diagrama baseado na carta psicromtrica,

com uma zona de conforto trmico e quatro outras zonas, nas quais os nveis de conforto podem ser

atingidos mediante o fornecimento ou a retirada de calor de forma passiva ou ativa, conforme a

Figura 1.5. Os ndices de conforto trmico assumem uma importncia maior quando se considera

que so eles que fornecem os parmetros para a realizao de projetos de climatizao. Suas

concepes foram baseadas em avaliaes comportamentais e nveis de satisfao de usurios

entrevistados em diversos cantos do planeta. Na verdade, utilizam-se hoje no Brasil ndices para

concepo de projetos que foram baseados em populaes no adaptadas e no familiarizadas com

as condies climticas brasileiras.

Figura 1.5: Zona de conforto de Givoni.



11

1.4 Qualidade do Ar Interno

Um ambiente interno pode ser confortvel sem ser saudvel. Atualmente, as condies

essenciais sade humana, tanto quanto o conforto, fazem parte das consideraes do projetista de

sistemas de condicionamento de ar. Porm, apesar da sade, segurana e custo terem crescido em

importncia, conforto ainda a preocupao principal da indstria RAVA.

Qualidade do Ar Interno (IAQ). Termo usado para designar condies do ar interno que

assegurem conforto aos seus ocupantes em um ambiente limpo, saudvel e sem odores.

Qualidade Aceitvel do Ar Interno ar no qual no h nenhum contaminante conhecido em

concentraes consideradas nocivas sade pelas autoridades competentes e no qual 80% ou mais

das pessoas ali presentes no manifestam insatisfao.

As fontes de contaminao do ar interno so divididas em quatro grandes grupos:

Grupo I Contaminao Interior:

Pessoas, plantas e animais.

Liberao de contaminantes pela moblia e acessrios domsticos.

Produtos de limpeza.

Tabagismo.

Oznio resultante de motores eltricos, copiadoras, etc.

Grupo II Contaminao Exterior:

A necessidade de ventilao e renovao do ar interno pode levar introduo de ar externo

contaminado. Dependendo de sua condio normal e ponto de captao, o ar externo pode se

apresentar com concentraes significativas de vrios gases e materiais particulados poluentes.

Grupo III Contaminao oriunda do Sistema de Condicionamento de Ar:

O prprio equipamento condicionador de ar, caso no seja tratado e limpo regularmente, pode

se tornar fonte de algas, fungos, poeiras, etc. Em especial, devem ser mencionados:

Dutos. A poeira acumulada pode dar origem ao desenvolvimento de fungos e outros

microrganismos;

Unidades de tratamento de ar. As bandejas de condensado renem as condies bsicas

para o desenvolvimento de bactrias e outros microrganismos.



12

Grupo IV Deficincias do Projeto Global de Condicionamento:

Agrupam-se aqui os fatores no diretamente ligados aos contaminantes ou ao equipamento

condicionador, mas que tm uma influncia direta sobre a qualidade do ar interno. Por exemplo:

Insuficincia de ar externo.

M distribuio do ar interno.

Operao incorreta do equipamento condicionador.

Modificaes inadequadas do edifcio, etc...

Sndrome do Prdio Doente (Sick Building Syndrome) termo utilizado para designar prdios

onde uma porcentagem atpica dos ocupantes ( 20%) apresenta problemas de sade tais como

irritao dos olhos, garganta seca, dores de cabea, fadiga, sinusite e falta de ar.

Os contaminantes mais comuns so:

1. CO2

Produto da respirao de todos os mamferos

No constitui um risco direto sade humana

A sua concentrao indicativa da boa ou m ventilao de um ambiente

2. CO

Fontes mais comuns: a combusto incompleta de hidrocarbonetos e fumaa de cigarro.

Fornalhas mal ventiladas, chamins, aquecedores de gua e incineradores causam

problemas muitas vezes.

Gs altamente txico.

Prdios com tomadas de ar externo localizadas prximas a locais de muito trfego

apresentam altos nveis de CO.

3. xidos de enxofre

Produzidos pela utilizao de combustveis contendo enxofre

Na presena de gua pode formar cido sulfrico, o que causar problemas respiratrios

aos ocupantes.

Penetram em um edifcio atravs das tomadas de ar externo ou de vazamentos em

equipamentos de combusto no interior do mesmo.

4. xidos de nitrognio

Produzidos pela combusto com ar a altas temperaturas (motores a combusto interna e

efluentes industriais).



13

Opinies divergem quanto sua toxicidade

Dentro de limites prticos, a sua concentrao deve ser mantida a mais baixa possvel.

Penetram em um edifcio atravs das tomadas de ar externo ou de vazamentos em

equipamentos de combusto no interior do mesmo.

5. Radnio

Gs radioativo naturalmente produzido pelo decaimento do rdio

Risco de cncer do pulmo

A sua entrada em um prdio pode se dar por frestas no piso ou paredes de pores, atravs

do suprimento de gua ou atravs de materiais de construo contendo urnio ou trio.

A pressurizao do espao condicionado, a ventilao de pores e a vedao de frestas

so medidas eficazes para a diminuio de sua concentrao.

6. Compostos Orgnicos Volteis (COV)

Presentes em um ambiente interno como produtos de combusto, mas tambm presentes

em pesticidas, materiais de construo, produtos de limpeza, solventes, etc.

Normalmente as concentraes esto abaixo dos limites recomendados, mas algumas

pessoas so hipersensveis.

O gs formaldedo um dos COV mais comuns, sendo irritante dos olhos e das mucosas e

com possvel ao cancergena.

7. Material Particulado

Uma amostra tpica de ar externo contm fuligem, fumaa, slica, argila, matria vegetal e

animal putrefata, fibras vegetais, fragmentos metlicos, fungos, bactrias, plen e outros

materiais vivos.

H ainda material particulado originrio do prprio ambiente como fungos e poeira de

tapetes, roupas de cama, etc..

Algumas partculas so muito pequenas (0,01 m), o que dificulta e encarece a limpeza do

ar.

Quando esta mistura se encontra suspensa no ar denominada aerossol.

Podem ser a causa de alergias e outros males.

A importncia das questes relativas qualidade do ar de interiores (QAI) se faz evidente pela

publicao em 28 de agosto de 1998 da portaria N 3.523 do Ministrio da Sade. Esta portaria, em

vista da ntima correlao entre a qualidade do ar de interiores, a produtividade e a sade dos



14

ocupantes, determina que sero objeto de regulamento tcnico, a ser elaborado por aquele

Ministrio, medidas especficas referentes a padres de qualidade do ar em ambientes climatizados.

Estas medidas diro respeito:

definio de parmetros fsicos e composio qumica do ar de interiores;

identificao de poluentes de natureza fsica, qumica e biolgica, suas tolerncias e

mtodos de controle;

Aos pr-requisitos de projetos de instalao e de execuo de sistemas de climatizao.

Diretamente relacionados a estas medidas esto os quatro mtodos bsicos para a

manuteno da qualidade do ar de interiores (McQuiston e Parker, 1994):

1. Eliminao ou modificao da fonte de contaminantes mtodo mais eficiente para se

reduzir a concentrao de contaminantes no gerados diretamente pelos ocupantes ou

pelas atividades no interior do edifcio.

2. Distribuio do ar interno remoo de contaminantes gerados por fontes localizadas antes

que se espalhem pelo ambiente climatizado.

3. Uso de ar externo necessrio para manter-se uma porcentagem mnima de oxignio no ar

interno e ao mesmo tempo diluir-se a concentrao de contaminantes.

4. Limpeza do ar passo final de um projeto de condicionamento para se assegurar um

ambiente limpo e saudvel.

Figura 1.6 - Sistema de climatizao tpico.



15

A utilizao de ar externo tem um efeito direto sobre a carga trmica e por isto estudada em

detalhe. Referindo-se Figura 1.6, so definidas as seguintes vazes:

Qinsuflado: vazo de ar suprido ao ambiente climatizado que passou por processos de

condicionamento.

Qinfiltrao vazo no intencional de ar externo para o interior do ambiente climatizado atravs de

frestas, portas e janelas.

Qretorno vazo de ar conduzido pelo sistema de condicionamento para fora do ambiente

climatizado.

Qalvio vazo de ar removida do ambiente climatizado e descarregada na atmosfera.

Qrecirculado vazo de ar removida do ambiente condicionado que se pretende reutilizar como parte

do ar insuflado (suprido). Esta vazo ser diferente da vazo de retorno somente se

houver alguma exausto ou alvio, isto , se Qalvio for diferente de zero.

Qexfiltrao vazo no intencional de ar interno para o exterior do ambiente climatizado atravs de

frestas, portas e janelas.

Qexausto vazo de ar para o exterior do ambiente atravs de chamins, lareiras, etc.

Qrenovao vazo de ar fresco da atmosfera externa, admitida livre de contaminantes, requerida

pelos ocupantes para compensar as vazes de exausto, alvio e exfiltrao. Sendo

tambm denominada de ar de renovao.

Em alguns casos, a vazo de ar de ventilao requerida para se manter a qualidade do ar

interno pode ser menor do que a vazo de ar suprido devido a exigncias de conforto (manuteno

da temperatura e umidade). Em outros casos, a vazo mnima de ar suprido fixada por

requerimentos de ventilao para se manter a qualidade do ar interno.

Aplicando-se a equao da continuidade a um VC em torno do ambiente climatizado e

admitindo-se um valor constante para a densidade do ar:

exaustooexfiltraretornoiltraoinfridosupt QQQQQQ ++=+= (1.4)

A lei da conservao da massa se aplica igualmente para qualquer contaminante entrando e

saindo do ambiente climatizado. Admitindo-se:

Operao em regime permanente.

Mistura completa.

Taxa de gerao do contaminante no ambiente constante.

Concentrao uniforme do contaminante no espao climatizado e no ar que entra.

Densidade constante.



16

Tem-se: stet CQNCQ =+ (1.5)

onde: Qt vazo total de ar entrando ou saindo do ambiente

Cs concentrao mdia do contaminante no interior do ambiente

N taxa de gerao do contaminante no espao

Ce concentrao do contaminante no ar que entra

Desta equao obtm-se a concentrao do contaminante no espao climatizado, Cs, ou a

vazo de ar necessria, Qt, para se manter o nvel de concentrao deste contaminante aqum de

um valor limite. A norma ASHRAE Standard 62 descreve dois mtodos para se estabelecer e manter

a qualidade do ar interno requerida pelos ocupantes. O primeiro destes mtodos, denominado

Ventilation Rate Procedure, prescreve as vazes mnimas de ar fresco necessrias a cada tipo de

ambiente climatizado e os mtodos aplicveis de condicionamento deste mesmo ar. Uma verso

simplificada desta norma dada na Tab. 4-2 de McQuiston e Parker (1994). O Manual de Aire

Condicionado Carrier tambm apresenta uma tabela semelhante (Cap. 6, Tab. 45), porm mais

simples. Deve-se enfatizar que qualquer tentativa de reduo das vazes mnimas como forma de

conservao de energia requerer a limpeza do ar de recirculao.



17

Captulo 2 Conceitos Fundamentais 2.1 Introduo

Este captulo tem por objetivo apresentar algumas definies termodinmicas e as

propriedades das substncias mais usadas na anlise de sistemas frigorficos. Mostrar ainda, as

relaes entre as propriedades termodinmicas de uma substncia pura, que o caso dos fludos

frigorficos. Esta apresentao, contudo, no se deter em anlises termodinmicas rigorosas, ao

contrrio, far apenas uma apresentao superficial de tais definies e das propriedades

termodinmicas e suas inter-relaes suficientes para o propsito deste estudo. Tambm sero

apresentados os conceitos bsicos relacionados com transferncia de calor.

2.2 Definies

Propriedades termodinmicas - So caractersticas macroscpicas de um sistema, como: volume, massa, temperatura, presso etc.

Estado Termodinmico - Pode ser entendido como sendo a condio em que se encontra a

substncia, sendo caracterizado pelas suas propriedades.

Processo - uma mudana de estado de um sistema. O processo representa qualquer

mudana nas propriedades da substncia. Uma descrio de um processo tpico envolve a

especificao dos estados de equilbrio inicial e final.

Ciclo - um processo, ou mais especificamente uma srie de processos, onde o estado inicial

e o estado final do sistema (substncia) coincidem.

Substncia Pura - qualquer substncia que tenha composio qumica invarivel e

homognea. Ela pode existir em mais de uma fase (slida, lquida e gasosa), mas a sua composio

qumica a mesma em qualquer das fases.

Temperatura de saturao - O termo designa a temperatura na qual se d a vaporizao de

uma substncia pura a uma dada presso. Essa presso chamada presso de saturao para a

temperatura dada. Assim, para a gua (utiliza-se a gua para facilitar o entendimento da definio

dada acima) a 100 oC, a presso de saturao de 1,01325 bar, e para a gua a 1,01325 bar de

presso, a temperatura de saturao de 100 oC. Para uma substncia pura h uma relao

definida entre a presso de saturao e a temperatura de saturao correspondente.



18

Lquido Saturado - Se uma substncia se encontra como lquido temperatura e presso de saturao, diz-se que ela est no estado de lquido saturado.

Lquido Sub-resfriado - Se a temperatura do lquido menor que a temperatura de saturao,

para a presso existente, o lquido chamado de lquido sub-resfriado (significa que a temperatura

mais baixa que a temperatura de saturao para a presso dada), ou lquido comprimido,

(significando ser a presso maior que a presso de saturao para a temperatura dada).

Figura 2.1 - Estados de uma substncia pura.

Ttulo (x) - Quando uma substncia se encontra parte lquida e parte vapor, na temperatura de

saturao (isto ocorre, em particular, nos sistemas de refrigerao, no condensador e no

evaporador), a relao entre a massa de vapor e a massa total, isto , a massa de lquido mais a

massa de vapor, chamada de ttulo (x). Matematicamente, tem-se:

t

v

vl

vmm

mmmx =+

= (2.1)

Vapor Saturado - Se uma substncia se encontra completamente como vapor na temperatura

de saturao, chamada de vapor saturado, e neste caso o ttulo igual a 1 ou 100%, pois a

massa total (mt) igual massa de vapor (mv).



19

Vapor Superaquecido - Quando o vapor est a uma temperatura maior que a temperatura de saturao chamado vapor superaquecido. A presso e a temperatura do vapor superaquecido

so propriedades independentes, e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para uma

presso constante. Em verdade, as substncias que chamamos de gases so vapores altamente

superaquecidos.

A Erro! A origem da referncia no foi encontrada. retrata a terminologia que acabou de ser definida, para os diversos estados termodinmicos em que se pode encontrar uma substncia pura.

2.3 Propriedades Termodinmicas de uma Substncia

Uma propriedade de uma substncia qualquer caracterstica observvel dessa substncia.

Um nmero suficiente de propriedades termodinmicas independentes constitui uma definio

completa do estado da substncia.

As propriedades termodinmicas mais comuns so: temperatura (T), presso (P), volume

especfico (v) e massa especfica (). Alem destas propriedades termodinmicas mais familiares, e

que so mensurveis diretamente, existem outras propriedades termodinmicas fundamentais para a

anlise de transferncia de calor, trabalho e energia, no mensurveis diretamente, que so: energia

interna (u), entalpia (h) e entropia (s).

Energia Interna (u). a energia que a matria possui devido ao movimento e/ou foras

intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes:

a) Energia cintica interna relacionada velocidade das molculas;

b) Energia potencial interna relacionada s foras de atrao entre as molculas.

As mudanas na velocidade das molculas so identificadas, macroscopicamente, pela

alterao da temperatura da substncia (sistema), enquanto que as variaes na posio so

identificadas pela mudana de fase da substncia (slido, lquido ou vapor).

Entalpia (h). Na anlise trmica de alguns processos especficos, freqentemente so

encontradas certas combinaes de propriedades termodinmicas. Uma dessas combinaes ocorre

quando se tem um processo a presso constante, resultando a combinao u + pv. Assim

conveniente definir uma nova propriedade termodinmica chamada entalpia, a qual representada

pela letra h. Matematicamente, tem-se:

vpuh += (2.2)



20

Entropia (s). Esta propriedade termodinmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substncia ou, segundo outros, a medida da probabilidade de

ocorrncia de um dado estado da substncia.

Cada propriedade de uma substncia, em um dado estado, tem somente um valor finito. Essa

propriedade sempre tem o mesmo valor para um estado dado independentemente de como foi

atingido tal estado.

2.4 Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes.

As propriedades termodinmicas de uma substncia so freqentemente apresentadas, alm

das tabelas, em diagramas que podem ter por ordenada e abscissa, temperatura e entropia, entalpia

e entropia, presso absoluta e volume especfico ou presso absoluta e entropia.

Os diagramas tendo como ordenada presso absoluta (P) e como abscissa a entalpia

especfica (h) so bastante utilizados para apresentar as propriedades dos fluidos frigorficos, visto

que estas coordenadas so mais adequadas representao do ciclo termodinmico de refrigerao

por compresso de vapor. Estes diagramas so conhecidos como diagramas de Mollier. A Figura 2.2

mostra os elementos essenciais dos diagramas presso-entalpia, para qualquer substncia pura.

Diagramas completos para leitura de dados a serem usados nas anlises trmicas de sistemas

frigorficos, so dados em anexo.

Figura 2.2 - Esquema de um diagrama de Pxh (Mollier) para um refrigerante.

Estes diagramas so teis, tanto como meio de apresentar a relao entre as propriedades

termodinmicas, como porque possibilitam a visualizao dos processos que ocorrem em cada uma

das partes do sistema. Assim, no estudo de um ciclo de refrigerao ser utilizado o diagrama de



21

Mollier para mostrar o que ocorre em cada componente do sistema de refrigerao (compressor,

condensador, dispositivo de expanso e evaporador). O ciclo completo de refrigerao por

compresso de vapor tambm ser representado sobre o diagrama de Mollier.

No diagrama de Mollier podem se destacar trs regies caractersticas, que so:

a) A regio esquerda da linha de lquido saturado (x=0), chamada de regio de lquido sub-

resfriado.

b) A regio compreendida entre as linhas de lquido saturado (x=0) e vapor saturado (x=1),

chamada de regio de vapor mido ou regio de lquido mais vapor.

c) A regio direita da linha de vapor saturado (x=1), chamada de regio de vapor

superaquecido.

Para determinar as propriedades termodinmicas de um estado nas condies saturadas,

basta conhecer uma propriedade e o estado estar definido. Para as regies de lquido sub-resfriado

e vapor superaquecido necessrio conhecer duas propriedades para definir um estado

termodinmico.

2.5 Primeira Lei da Termodinmica.

A primeira lei da termodinmica tambm conhecida como o Principio de Conservao de

Energia, o qual estabelece que a energia no pode ser criada nem destruda, mas somente

transformada, entre as vrias formas de energia existentes.

Para se efetuar balanos de energia, isto , para se aplicar a primeira lei da termodinmica,

necessrio primeiro estabelecer o conceito de sistema termodinmico. Assim, o sistema

termodinmico consiste em uma quantidade de matria (massa), ou regio, para a qual a ateno

est voltada. Demarca-se um sistema termodinmico em funo daquilo que se deseja analisar, e

tudo aquilo que se situa fora do sistema termodinmico chamado meio ou vizinhana.

(a) (b)

Figura 2.3 (a) Sistema Fechado e (b) Sistema aberto (volume de controle).



22

O sistema termodinmico delimitado atravs de suas fronteiras, as quais podem ser mveis,

fixas, reais ou imaginrias. O sistema pode ainda ser classificado em sistema fechado (Figura 2.3.a),

correspondendo a uma regio onde no ocorre fluxo de massa atravs de suas fronteiras (tem

massa fixa), e sistema aberto (Figura 2.3.b), que corresponde a uma regio onde ocorre fluxo de

massa atravs de suas fronteiras, sendo tambm conhecido por volume de controle.

O balano de energia estabelece que, para um determinado intervalo de tempo, o somatrio

dos fluxos de energia entrando no volume de controle, igual ao somatrio dos fluxos de energia

saindo do volume de controle mais a variao da quantidade de energia armazenada pelo mesmo,

durante o intervalo de tempo considerado. Matematicamente, tem-se:

t

EEE vcsaient

+= !! (2.3)

onde: Eent representa qualquer forma de energia entrando no volume de controle.

Esai representa qualquer forma de energia saindo do volume de controle.

Evc representa a quantidade total de energia armazenada no volume de controle.

t representa o intervalo de tempo considerado.

importante ressaltar que, do ponto de vista termodinmico, a energia composta de energia

cintica (Ec), energia potencial (Ep) e energia interna (U). A energia cintica e a energia potencial so

dadas pelas equaes (2.4) e (2.5), respectivamente, e, conforme mencionado anteriormente, a

energia interna est associada ao movimento e/ou foras intermoleculares da substncia em anlise.

2

VmE2

c = (2.4)

zgmEp = (2.5)

onde: m representa a massa do sistema;

V representa a velocidade do sistema.

g representa a acelerao da gravidade;

z representa a cota (elevao) com relao a um referencial adotado para o sistema.

Entre as formas de energia que podem atravessar a fronteira de um volume de controle, isto ,

entrar ou sair do volume de controle, esto includos os fluxos de calor ( Q! ), os fluxos de trabalho

( W! ) e os fluxos de energia associados massa atravessando estas fronteiras. Uma quantidade de



23

massa em movimento possui energia cintica, energia potencial e energia cintica. Alm disto, como

geralmente o fluxo mssico (m! ) gerado por uma fora motriz, h ma outra forma de energia

associada ao fluxo, a qual est relacionada com a presso. Esta ltima forma de energia chamada

de trabalho de fluxo, sendo dada pelo produto da presso pelo volume especfico do fludo. Assim,

aps algumas simplificaes, a primeira lei da termodinmica pode ser escrita como:

t

Evpuzg2

VmWvpuzg2

VmQ vcsai

2

ent

2

+

++++=

++++ !!!! (2.6)

Duas observaes importantes podem ser efetuadas com relao equao acima. A primeira

se refere soma das parcelas u + pv que, como visto anteriormente (Eq. 2), corresponde entalpia

da substncia (h). A segunda observao est relacionada ao fato de que, para a grande maioria dos

sistemas industriais, a variao da quantidade de energia armazenada no sistema (Evc) igual a

zero. Para esta condio, diz-se que o sistema opera em regime permanente, e a equao acima

pode ser escrita como:

+

++=

+++ Wzg

2Vhmzg

2VhmQ

sai

2

ent

2!!!! (2.7)

Para aplicao da primeira lei da termodinmica, necessrio estabelecer uma conveno de

sinais para trabalho e calor. A Figura 2.4 mostra esta conveno de sinais e, como pode ser

observado, o trabalho realizado pelo sistema e o calor transferido ao sistema tm sinal positivo, ao

mesmo tempo em que o trabalho realizado sobre sistema e o calor transferido pelo sistema tm sinal

negativo. No Sistema Internacional, a unidade de fluxo de trabalho e calor o Watt [W], a unidade da

vazo mssica [kg/s], a unidade da entalpia [J/kg], a de velocidade [m/s] e a unidade da cota

[m]. A acelerao da gravidade, que pode ser considerada constante, igual a 9,81 m/s2.

Figura 2.4 - Conveno dos sinais para trabalho e calor.



24

Captulo 3 Ciclos de Refrigerao por Compresso de Vapor. 3.1 Introduo

Se um lquido for introduzido num vaso onde existe, inicialmente, um grau de vcuo e cujas

paredes so mantidas a temperatura constante, ele se evaporar imediatamente. No processo, o

calor latente de vaporizao, ou seja, o calor necessrio para a mudana do estado lquido para o

estado vapor fornecido pelas paredes do vaso. O efeito de resfriamento resultante o ponto de

partida do ciclo de refrigerao, que ser examinado neste captulo.

medida que o lquido se evapora, a presso dentro do vaso aumenta at atingir,

eventualmente, a presso de saturao para a temperatura considerada. Depois disto nenhuma

quantidade de lquido evaporar e, naturalmente, o efeito de resfriamento cessar. Qualquer

quantidade adicional de lquido introduzido permanecer no neste estado, isto , como lquido no

fundo do vaso. Se for removida parte do vapor do recipiente conectando-o ao lado de suco de uma

bomba, a presso tender a cair, isto provocar uma evaporao adicional do lquido. Neste aspecto,

o processo de resfriamento pode ser considerado contnuo. E, para tal, necessita-se: de um fluido

adequado, o refrigerante; um recipiente onde a vaporizao e o resfriamento sejam realizados,

chamado de evaporador; e um elemento para remoo do vapor, chamado de compressor.

O sistema apresentado at agora no prtico, pois envolve um consumo contnuo de

refrigerante. Para evitar este problema necessrio converter o processo num ciclo. Para fazer o

vapor retornar ao estado lquido, o mesmo deve ser resfriado e condensado. Usualmente, utiliza-se a

gua ou o ar, como meio de resfriamento, os quais se encontram a uma temperatura,

substancialmente, mais elevada do que a temperatura reinante no evaporador. A presso de vapor

correspondente temperatura de condensao deve, portanto, ser bem mais elevada do que a

presso no evaporador. O aumento desejado de presso promovido pelo compressor.

A liquefao do refrigerante realizada num condensador que , essencialmente, um

recipiente resfriado externamente pelo ar ou gua. O gs refrigerante quente (superaquecido) com

alta presso conduzido do compressor para o condensador, onde condensado. Resta agora

completar o ciclo, o que pode ser feito pela incluso de uma vlvula ou outro dispositivo regulador,

que ser usado para injeo de lquido no evaporador. Este um componente essencial de uma

instalao de refrigerao e chamado de vlvula de expanso.

3.2 Ciclo Terico de Refrigerao por Compresso de Vapor

Um ciclo trmico real qualquer deveria ter para comparao o ciclo de CARNOT, por ser este o

ciclo de maior rendimento trmico possvel. Entretanto, dado as peculiaridades do ciclo de



25

refrigerao por compresso de vapor, define-se um outro ciclo que chamado de ciclo terico, no qual os processos so mais prximos aos do ciclo real e, portanto, torna-se mais fcil comparar o

ciclo real com este ciclo terico (existem vrios ciclos termodinmicos ideais, diferentes do ciclo de

Carnot, como o ciclo ideal de Rankine, dos sistemas de potncia a vapor, o ciclo padro ar Otto, para

os motores de combusto interna a gasolina e lcool, o ciclo padro ar Brayton, das turbinas a gs,

etc). Este ciclo terico ideal aquele que ter melhor performance operando nas mesmas condies

do ciclo real.

Figura 3.1 - Ciclo terico de refrigerao por compresso de vapor.

A Figura 3.1 mostra um esquema bsico de um sistema de refrigerao por compresso de

vapor com seus principais componentes, e o seu respectivo ciclo terico construdo sobre um

diagrama de Mollier, no plano P-h. Os equipamentos esquematizados na Figura 3.1 representam,

genericamente, qualquer dispositivo capaz de realizar os respectivos processos especficos

indicados.



26

Os processos termodinmicos que constituem o ciclo terico em seus respectivos

equipamentos so:

a) Processo 12. Ocorre no compressor, sendo um processo adiabtico reversvel e,

portanto, isentrpico, como mostra a Figura 3.1. O refrigerante entra no compressor

presso do evaporador (Po) e com ttulo igual a 1 (x =1). O refrigerante ento comprimido

at atingir a presso de condensao (Pc) e, ao sair do compressor est superaquecido

temperatura T2, que maior que a temperatura de condensao TC.

b) Processo 23. Ocorre no condensador, sendo um processo de rejeio de calor, do

refrigerante para o meio de resfriamento, presso constante. Neste processo o fluido

frigorfico resfriado da temperatura T2 at a temperatura de condensao TC e, a seguir,

condensado at se tornar lquido saturado na temperatura T3, que igual temperatura TC.

c) Processo 34. Ocorre no dispositivo de expanso, sendo uma expanso irreversvel a

entalpia constante (processo isentlpico), desde a presso PC e lquido saturado (x=0), at

a presso de vaporizao (Po). Observe que o processo irreversvel e, portanto, a

entropia do refrigerante na sada do dispositivo de expanso (s4) ser maior que a entropia

do refrigerante na sua entrada (s3).

d) Processo 41. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferncia de calor a

presso constante (Po), conseqentemente a temperatura constante (To), desde vapor

mido (estado 4), at atingir o estado de vapor saturado seco (x=1). Observe que o calor

transferido ao refrigerante no evaporador no modifica a temperatura do refrigerante, mas

somente muda sua qualidade (ttulo).

3.3 Ciclo Real de Compresso de Vapor

As diferenas principais entre o ciclo real e o ciclo terico esto mostradas na Figura 3.2, as

quais sero descritas a seguir. Uma das diferenas entre o ciclo real e o terico a queda de

presso nas linhas de descarga, lquido e de suco assim como no condensador e no evaporador.

Estas perda de carga Pd e Ps esto mostradas na Figura 3.2.

Outra diferena o sub-refriamento do refrigerante na sada do condensador (nem todos os

sistemas so projetados com sub-refriamento), e o superaquecimento na suco do compressor,

sendo este tambm um processo importante que tem a finalidade de evitar a entrada de lquido no

compressor. Outro processo importante o processo de compresso, que no ciclo real politrpico

(s1 s2), e no processo terico isentrpico.

Devido ao superaquecimento e ao processo politrpico de compresso a temperatura de

descarga do compressor (T2) pode ser muito elevada, tornando-se um problema para os leos



27

lubrificantes usados nos compressores frigorficos. A temperatura de descarga no deve ser superior

a 130 C, o que, por vezes, exige o resfriamento forado do cabeote dos compressores,

principalmente quando so utilizados os refrigerantes R717 e R22, (com baixas temperaturas de

evaporao). Muitos outros problemas de ordem tcnica, dependendo do sistema e sua aplicao,

podem introduzir diferenas significativas alm das citadas at aqui. Problemas tcnicos e de

operao sero abordados nos prximos captulos.

Figura 3.2 Diferenas entre o ciclo terico e o real de refrigerao.

3.4 Balano de Energia para o Ciclo de Refrigerao por Compresso de Vapor

O balano de energia do ciclo de refrigerao feito considerando-se o sistema operando em

regime permanente nas condies de projeto, ou seja, temperatura de condensao (TC), e

temperatura de vaporizao (TO). Os sistemas reais e tericos tm comportamentos idnticos, tendo

o ciclo real apenas um desempenho pior. A anlise do ciclo terico permitir, de forma simplificada,

verificar quais parmetros tm influncia no desempenho do ciclo.

3.4.1 Capacidade frigorfica

A capacidade frigorfica ( oQ! ) , a quantidade de calor, por unidade de tempo, retirada do meio

que se quer resfriar (produto), atravs do evaporador do sistema frigorfico. Este processo est

indicado na Figura 3.3. Considerando-se que o sistema opera em regime permanente e

desprezando-se as variaes de energia cintica e potencial, pela primeira lei da termodinmica,

tem-se:



28

Figura 3.3 Processo de transferncia de calor no evaporador.

)hh(mQ 41fo = !! (3.1)

Normalmente, se conhece a capacidade frigorfica deve do sistema de refrigerao, a qual

deve ser igual carga trmica, para operao em regime permanente. Se for estabelecido o ciclo e o

fluido frigorfico com o qual o sistema deve trabalhar, pode-se determinar o fluxo mssico que circula

atravs dos equipamentos, pois as entalpias h1 e h4 so conhecidas e, conseqentemente o

compressor fica determinado.

A quantidade de calor por unidade de massa de refrigerante retirada no evaporador

chamada de Efeito Frigorfico (EF), e um dos parmetros usados para definir o fluido frigorfico

que ser utilizado em uma determinada instalao.

41 hhEF = (3.2)

Figura 3.4 Evaporador para resfriamento de ar (cmaras frigorficas)

3.4.2 Potncia terica de compresso

Chama-se de potncia terica de compresso quantidade de energia, por unidade de tempo,

que deve ser fornecida ao refrigerante, no compressor, para se obter a elevao de presso

necessria ao do ciclo terico. Neste ciclo o processo de compresso adiabtico reversvel



29

(isentrpico), como indicado na Figura 3.5. No sistema de refrigerao real o compressor perde calor

para o meio ambiente, entretanto, este calor pequeno quando comparado energia necessria

para realizar o processo de compresso. Aplicando-se a primeira lei da termodinmica, em regime

permanente, no volume de controle da figura baixo e desprezando-se a variao de energia cintica

e potencial tem-se Eq. (3.3).

)hh(mW 12fc = !! (3.3)

Figura 3.5 Processo de compresso adiabtico reversvel no compressor.

Figura 3.6 Compressor Alternativo semi-hermtico e compressor parafuso.

3.4.3 Calor rejeitado no condensador

Conforme mencionado, a funo do condensador transferir calor do fluido frigorfico para o

meio de resfriamento do condensador (gua ou ar). Este fluxo de calor pode ser determina atravs

de um balano de energia no volume de controle da Figura 3.8. Assim, considerando o regime

permanente, tem-se:

)hh(mQ 32fc = !! (3.4)



30

Figura 3.7 Condensador a ar (remoto)

Figura 3.8 Processo de transferncia de calor no condensador.

Assim, o condensador a ser especificado para o sistema de refrigerao deve ser capaz de

rejeitar a taxa de calor calculada pela Eq. (3.4), a qual depende da carga trmica do sistema e da

potncia de compresso.

3.4.4 Dispositivo de expanso

No dispositivo de expanso, que pode ser de vrios tipos, o processo terico adiabtico,

como mostra a Figura 3.9, e, neste caso, aplicando-se a primeira lei da termodinmica, em regime

permanente, desprezando-se as variaes de energia cintica e potencial, tem-se:

Figura 3.9 Processo no dispositivo de expanso.



31

Figura 3.10 Vlvula de expanso termosttica.

43 hh = (3.5)

3.4.5 Coeficiente de performance do ciclo

O coeficiente de performance, COP, um parmetro importante na anlise das instalaes

frigorficas. Embora o COP do ciclo real seja sempre menor que o do ciclo terico, para as mesmas

condies de operao, pode-se, com o ciclo terico, verificar que parmetros influenciam no

desempenho do sistema. Assim, o COP definido por:

c

oWQ

GastaEnergiaUtilEnergiaCOP !

!== (3.6)

Pode-se inferir da Eq. (3.6) que, para ciclo terico, o COP funo somente das propriedades

do refrigerante, conseqentemente, depende das temperaturas de condensao e vaporizao. Para

o ciclo real, entretanto, o desempenho depender em muito das propriedades na suco do

compressor, do prprio compressor e dos demais equipamentos do sistema, como ser visto adiante.

Outra forma de indicar eficincia de uma mquina frigorfica a Razo de Eficincia Energtica

(EER), cujo nome se deriva do ingls Energy Efficiency Rate, sendo dada pela expresso abaixo:

=

Wattsh/Btu

WEFEER

c (3.7)

Uma forma bastante usual de indicar a eficincia de um equipamento frigorfico relacionar o

seu consumo, em kW/TR, com a capacidade frigorfica, em TR, o que resulta em:

=

TRWatts

QWTR/kW

o

c!!

(3.8)



32

=

TRWatts

EER12TR/kW (3.9)

3.5 Parmetros que Influenciam o COP do Ciclo de Refrigerao

Vrios parmetros influenciam o desempenho do ciclo de refrigerao por compresso de

vapor. A seguir ser analisada a influncia de cada um deles separadamente.

3.5.1 Influncia da temperatura de evaporao no COP do ciclo terico

Para ilustrar o efeito que a temperatura de evaporao tem sobre a eficincia do ciclo ser

considerado um conjunto de ciclos em que somente a temperatura de evaporao (To), alterada.

Estes ciclos esto mostrados na Figura 3.11. Nesta anlise utilizou-se R22 como refrigerante, o qual

tpico de sistemas de ar condicionado. Como pode ser observado, uma reduo na temperatura de

evaporao resulta em reduo do COP, isto , o sistema se torna menos eficiente.

3.5.2 Influncia da temperatura de condensao no COP do ciclo terico

Como no caso da temperatura de vaporizao, a influncia da temperatura de condensao

mostrada em um conjunto de ciclos onde apenas se altera a temperatura de condensao (Tc). Esta

anlise est mostrada na Figura 3.12. Observe que uma variao de 15 oC na temperatura de

condensao, resultou em menor variao do COP, se comparado com a mesma faixa de variao

da temperatura de evaporao.

3.5.3 Influncia do sub-resfriamento do lquido no COP do ciclo terico

De forma idntica aos dois casos anteriores, a Figura 3.13 mostra a influncia do sub-

resfriamento do lquido na sada do condensador sobre a eficincia do ciclo. Embora haja um

aumento no COP do ciclo com o aumento do sub-resfriamento, o que timo para o sistema, na

prtica se utiliza um sub-resfriamento para garantir que se tenha somente lquido na entrada do

dispositivo de expanso, o que mantm a capacidade frigorfica do sistema, e no com o objetivo de

se obter ganho de eficincia.

3.5.4 Influncia do superaquecimento til no COP do ciclo terico

Quando o superaquecimento do refrigerante ocorre retirando calor do meio que se quer resfriar, chama-

se a este superaquecimento de superaquecimento til. Na Figura 3.14 mostrada a influncia desse superaquecimento na performance do ciclo de refrigerao. Como pode ser observado no ltimo slide desta

figura, a variao do COP com o superaquecimento depende do refrigerante. Nos casos mostrados, para o

R717 o COP sempre diminui, para R134a o COP sempre aumenta e para o R22, o caso mais complexo, h um



33

aumento inicial e depois uma diminuio. Para outras condies do ciclo, isto , To e Tc, poder ocorrer

comportamento diferente do aqui mostrado. Mesmo para os casos em que o superaquecimento melhora o COP

ele diminui a capacidade frigorfica do sistema de refrigerao. Assim, s se justifica o superaquecimento do

fluido, por motivos de segurana, para evitar a entrada de lquido no compressor.

Este aspecto da influncia do superaquecimento na capacidade frigorfica do sistema ser estuda com

mais detalhes quando da anlise operacional dos compressores alternativos e de sua eficincia volumtrica.

-30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00

Temperatura de Vaporizao, To, em Celsius

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce, C

.O.P

.

LEGENDA

R-717

R-134a

R-22

Figura 3.11 Influncia da temperatura de evaporao no COP do ciclo terico.



34

30.0 40.0 50.0 60.0Temperatura de Condensao, Tc , em Celsius

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce, C

.O.P

. LEGENDA

R-717

R-134a

R-22

To = - 10 Co

Figura 3.12 - Influncia da temperatura de evaporao no COP do ciclo terico.



35

0.0 4.0 8.0 12.0 16.0

Sub-Resfriamento, , em Celsius

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce,

C.O

.P

Tsr

Legenda

R-717

R-134a

R-22

Tc = 45 CTo = - 10 C

o

o

Figura 3.13 Influncia do sub-resfriamento no COP do ciclo terico.



36

0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0

Superaquecimento til, , em Celsius

3.50

3.60

3.70

3.80

3.90

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce,

C.O

.P.

LEGENDA

R-717

R-134a

R-22

Tc = 45 CTo = - 10 Co

o

Tsa Figura 3.14 - Influncia do superaquecimento no COP do ciclo terico.



37

CONVERSO DE UNIDADES

Presso Potncia 1,0 kgf/cm2 9,8067x104 Pa 1,0 Hp 641,13 kcal/h

1,0 bar 105 Pa 1,0 hp 745,5 W 1,0 kgf/cm2 14,2234 Psi 1,0 kW 860,0 kcal/h

1,0 atm 1,0332 kgf/cm2 1,0 TR 3024 kcal/h 1,0 atm 14,6959 Psi 1,0 TR 12000 BTU/h

1,0 TR 3,516 kW

Temperatura Energia oC K - 273,15 1,0 kcal 4,1868 kJ oC (oF - 32)/1,8 1,0 kcal 3,968 Btu oR oF + 459,67



38

Captulo 4 Refrigerao Por Absoro De Vapor 4.1 Introduo

Suponhamos que um lquido seja introduzido num vaso em que inicialmente havia vcuo e que

as paredes do recipiente sejam mantidas a uma temperatura constante. O lquido se evapora

imediatamente e no processo seu calor latente de vaporizao extrado dos lados do vaso. O efeito

resultante de resfriamento o ponto de partida do ciclo de refrigerao a ser examinado.

medida que o lquido se evapora a presso dentro do vaso sobe at que eventualmente

atinja uma presso de vapor de saturao para a temperatura em considerao. A partir da, a

evaporao cessa e o efeito de resfriamento nas paredes do vaso no mantido pela introduo

contnua do refrigerante. O ltimo simplesmente permanece no estado lquido e se acumula no fundo

do recipiente. Para tornar o processo de resfriamento contnuo necessrio, conforme visto

anteriormente, remover o refrigerante no estado de vapor na mesma taxa pela qual ela formada.

No ciclo de compresso de vapor esta remoo feita conectando-se o evaporador ao lado da

suco da bomba. Um resultado semelhante pode ser obtido conectando-se o evaporador a um outro

vaso que contm uma substncia capaz de absorver o vapor. Assim, se o refrigerante fosse a gua,

um material higroscpico, como o brometo de ltio, poderia ser usado no absorvedor. A substncia

utilizada para absoro do vapor refrigerante chamada de portadora (ou absorvedora).

Para se obterem ciclos fechados tanto para o refrigerante como para o portador o estgio

seguinte do processo deve ser a liberao do refrigerante absorvido numa presso conveniente para

sua subseqente liquefao num condensador. Isto conseguido no gerador, onde o calor

fornecido soluo (portadora + refrigerante) e o refrigerante liberado como vapor.

O absorvedor e o gerador juntos substituem o compressor no ciclo de compresso de vapor.

Com relao ao refrigerante, o restante do ciclo de absoro semelhante ao ciclo de compresso,

isto , o vapor se liquefaz no condensador e trazido para o evaporador atravs de expanso. O

lquido absorvente, ao sair do gerador naturalmente retorna ao absorvedor para outro ciclo.

Num sistema de refrigerao por absoro, requer-se resfriamento do condensador e do

absorvedor, o que pode ser feito atravs da gua de uma torre de resfriamento.

As principais vantagens do ciclo de absoro em relao a outros sistemas de refrigerao so

que ele pode operar com energia de baixa qualidade termodinmica em forma de calor (vapor de

exausto, gua quente a presso elevada) e que tem poucas partes mveis. Teoricamente, apenas

uma nica bomba necessria, para transportar a soluo (absorvedora + refrigerante) do

absorvedor a baixa presso para o gerador a relativamente elevada presso. Na prtica, duas

bombas adicionais so muitas vezes usadas, uma para recircular a soluo sobre as serpentinas de



39

resfriamento no absorvedor e outra para recircular o refrigerante sobre a serpentina de gua gelada

no evaporador.

4.2 Ciclo de Absoro

Os ciclos de refrigerao por absoro mais comuns utilizam os pares gua-amnia

(absorvedor-refrigerante) ou brometo de ltio e gua (absorvedor-refrigerante). Em termos do ciclo

mostrado na Figura 4.1, a soluo de brometo de ltio e gua entra no gerador, sendo aquecida, e

liberando vapor de gua. O vapor de gua liberado no gerador segue rumo ao condensador, onde

condensado. Aps a reduo da presso da gua, esta segue para o evaporador, onde ir retirar

calor da gua de processo (gua gelada do sistema de condicionamento de ar). O vapor de gua de

baixa presso, formado no evaporador, ento absorvido pelo brometo de ltio, contido no

absorvedor. No ciclo, o trabalho da bomba para a circulao do fluido muito pequeno, uma vez que

a bomba opera com lquido de baixo volume especfico.

Figura 4.1 Mquina de Refrigerao por absoro.

O maior inconveniente das mquinas de absoro o seu consumo de energia, muito mais

elevado que o das mquinas de compresso de vapor. As mquinas de absoro podem consumir

uma quantidade de energia superior a sua produo frigorfica. Por outro lado, estas mquinas tm a

vantagem de utilizar a energia trmica (calor) em lugar de energia eltrica que mais cara e mais

nobre.



40

Elas permitem por esta razo, uma melhor utilizao das instalaes de produo de calor,

ociosas. o caso, por exemplo, das instalaes de aquecimento, destinadas ao conforto humano

durante o inverno, as quais podem fornecer energia trmica a preo acessvel durante o vero.

As mquinas de absoro permitem tambm a recuperao do calor perdido no caso de

turbinas e, outros tipos de instalaes que utilizam o vapor dgua.

Atualmente em instalaes importantes, est sendo utilizada para a refrigerao a combinao

de mquinas de compresso mecnica, tipo centrfugas, acionadas por turbinas a vapor, com

mquinas de absoro aquecidas pelo vapor parcialmente expandido nas turbinas, o que aumenta

grandemente o rendimento do conjunto.

Alm das vantagens apontadas, as instalaes de absoro se caracterizam, pela sua

simplicidade, por no apresentarem partes internas mveis (as bombas so colocadas parte), o

que lhes garante um funcionamento silencioso e sem vibrao.

Elas se adaptam bem as variaes de carga (at cerca de 10% da carga mxima),

apresentando um rendimento crescente com a reduo da mesma.

Sua principal desvantagem o elevado custo inicial, variando de 550 a 900 US$/TR (GPG-256,

1999) e, conforme mencionado, o seu baixo COP, o qual segundo Wang (2000), varia de acordo com

o tipo de equipamento, como mostrado na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 COP de mquinas de absoro

Tipo COP

Resfriada a Ar (1 estgio) 0,48* a 0,60 Resfriada a gua (1 estgio) 0,60* a 0,70

2 Estgios 0,95* a 1,0 Queima Direta 2 Estgios 0.95* a 1,08

* corresponde aos valor mnimo, segundo a ASHRAE/IESNA Standard 90.1-1999



41

Captulo 5 Estimativa de Carga Trmica Sensvel e Latente 5.1 Introduo

A funo bsica de um sistema de condicionamento de ar manter:

Condies de conforto para o homem;

Condies requeridas por um produto ou processo industrial.

Para atender uma ou outra destas necessidades deve-se instalar um equipamento com

capacidade adequada. Esta ca

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