Capitulo 5

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INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO 1ª PARTE DOCENTE RESPONSÁVEL: ENG. FLÁVIO CHAVES ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE ABRANTES ANO LECTIVO: 2009-2010 MESTRADO EM MANUTENÇÃO TÉCNICA DE EDIFÍCIOS

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Docente Responsável: Flávio Chaves Escola Superior de Tecnologia de Abrantes

2009-2010

INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO 1ª PARTE DOCENTE RESPONSÁVEL: ENG. FLÁVIO CHAVES ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE ABRANTES ANO LECTIVO: 2009-2010

MESTRADO EM MANUTENÇÃO TÉCNICA DE EDIFÍCIOS

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INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO ii

ÍNDICE

CAPÍTULO 5 ............................................................................................................ 194

1. DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS PARA AR CONDICIONADO ..... 1941.1 Condutas de Chapas Metálicas ........................................................................................ 194

1.2 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS .......................................... 195

1.2.1 Método da redução da velocidade ................................................................................ 196

1.2.2 Método de perda de carga constante ............................................................................ 211

1.2.3 Método de recuperação estática ................................................................................... 214

1.2.4 Comparação do método de recuperação estática com o de perda de carga constante . 218

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Vários tipos de condutas: (a) conduta de rectangular (b) conduta circular (c) conduta oval achatada (d) conduta flexível. .................................................................................................. 195Figura 1.2: Disposição de condutas para um sistema de baixa velocidade – Exercício 1. .............. 208Figura 1.3: Disposição de condutas para um sistema de baixa velocidade. ..................................... 213Figura 1.4: Características da pressão na conduta principal para o método de recuperação estática.

.......................................................................................................................................................... 214

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1.1: Velocidades máximas recomendadas para sistemas de baixa velocidade. ................... 196Tabela 1.2: Dimensões de condutas, secção, diâmetro equivalente e tipo de condutas. .................. 198Tabela 1.3: Dimensões de condutas rectangulares mais comuns. .................................................... 201Tabela 1.4: Perda de carga num sistema de condutas rectangulares. ............................................... 202Tabela 1.5: Perda de carga em curvas de secção rectangular .......................................................... 204Tabela 1.6: Perda de carga num sistema de condutas circulares. .................................................... 206Tabela 1.7: Perda de carga em curvas de secção circular. ............................................................... 207Tabela 1.8: Percentagem de área de secção recta em troços de forma a conservar constante a perda de carga. ........................................................................................................................................... 212

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CAPÍTULO 5

1. DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS PARA AR

CONDICIONADO

1.1 CONDUTAS DE CHAPAS METÁLICAS

Condutas são condutores de ar que permitem a sua circulação desde o ventilador até aos

pontos de insuflação, bem como o retorno.

O normal é a existência de recirculação do ar, isto é, uma vez a circular no ambiente, o ar

retorna à máquina; isto representa economia na instalação. Em casos especiais, como salas de

operações dos hospitais, locais de emanações poluidoras, etc., não será conveniente o retorno

à máquina.

Utilizam-se as condutas como condutores de ar para os seguintes fins:

• Insuflação e retorno de ar;

• Ar exterior;

• Câmara misturadora de ar de retorno e exterior;

• Como carcaça a cobrir os filtros, serpentinas e ventiladores.

As condutas representam em custo médio cerca de 25% de toda a instalação

• Volume do ar a circular;

. Para o

dimensionamento das condutas, necessitamos levar em conta os seguintes factores:

• Velocidade o ar através das condutas;

• Resistência a ser vencida na conduta.

Os componentes de um sistema de condutas são:

• Condutas rectas;

• Curvas;

• Desvios;

• Peças de transição/transformação;

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• Invólucros;

• Registos divisórios e quadrantes;

• Registos de volume e quadrantes;

• Portas de acesso;

• Registos tipo veneziana;

• Registos estacionários;

• Telas de entrada de ar;

• Ligação de lonas para amortecer vibrações.

Figura 1.1: Vários tipos de condutas: (a) conduta rectangular (b) conduta circular (c) conduta oval

achatada (d) conduta flexível.

1.2 MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DE CONDUTAS

Existem três métodos no dimensionamento de condutas de um sistema de ar condicionado:

• Método da redução da velocidade;

• Método de perda de carga constante;

• Método da recuperação estática.

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1.2.1 MÉTODO DA REDUÇÃO DA VELOCIDADE

Consiste em seleccionar uma velocidade de saída na descarga do ventilador e estabelecer

arbitrariamente uma série de reduções ao largo da conduta. A velocidade inicial não deve

exceder os valores indicados na Tabela 1.1.

Tabela 1.1: Velocidades máximas recomendadas para sistemas de baixa velocidade.

Entrando com os valores de velocidade do ar e do caudal no Gráfico 1.1, obtemos os valores

dos diâmetros de condutas circulares equivalentes.

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Gráfico 1.1: Perda por atrito em condutas redondas.

A Tabela 1.2 utiliza-se para seleccionar as dimensões da conduta rectangular, partindo do

diâmetro da conduta circular equivalente.

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Tabela 1.2: Dimensões de condutas, secção, diâmetro equivalente e tipo de condutas.

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Tabela 1.2: Dimensões de condutas, secção, diâmetro equivalente e tipo de condutas (continuação).

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Tabela 1.2 – Dimensões de condutas, secção, diâmetro equivalente e tipo de condutas (continuação).

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Na Tabela 1.3, estão representadas as condutas rectangulares mais comuns em ventilação

(http://www.engineeringtoolbox.com/rectangular-ducts-d_1010.html).

Tabela 1.3: Dimensões de condutas rectangulares mais comuns.

Largura

(mm)

Altura (mm)

100 150 200 250 300 400 500 600 800 1000 1200

200 1) 1) 2) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3)

250 2) 2) 2) 2) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3)

300 1) 1) 1) 2) 2) 3) 3) 3) 3) 3) 3)

400 1) 1) 1) 2) 1) 2) 3) 3) 3) 3) 3)

500 3) 1) 1) 2) 1) 1) 2) 3) 3) 3) 3)

600 3) 1) 1) 2) 1) 1) 1) 2) 3) 3) 3)

800 3) 3) 1) 2) 1) 1) 1) 1) 2) 3) 3)

1000 3) 3) 3) 2) 1) 1) 1) 1) 1) 2) 3)

1200 3) 3) 3) 3) 1) 1) 1) 1) 1) 1) 2)

1400 3) 3) 3) 3) 3) 2) 2) 2) 2) 2) 2)

1600 3) 3) 3) 3) 3) 1) 1) 1) 1) 1) 1)

1800 3) 3) 3) 3) 3) 3) 2) 2) 2) 2) 2)

2000 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 3) 1) 1) 1) 1) Preferencial, 2) Aceitável, 3) Pouco comum

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A pressão estática do ventilador determina-se por cálculo, utilizando o maior comprimento da

conduta com todas as ligações/transformações e curvas.

As Tabelas 1.4 a 1.7 proporcionam as perdas em curvas e ligações/transformações

rectangulares e circulares. A conduta mais comprida não é necessariamente o que tem maior

perda de carga, pois condutas mais curtas podem ter mais curvas, ligações e restrições.

Tabela 1.4: Perda de carga num sistema de condutas rectangulares.

Ver notas da página seguinte

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Tabela 1.4 –Perda de carga num sistema de condutas rectangulares (continuação).

* 1,25 é o valor standard para uma curva de raio completo sem guias.

** L e D estão em metros. D é o diâmetro da curva. L é o comprimento equivalente adicional da

conduta somado ao comprimento medido. O comprimento equivalente L é igual a D multiplicado pela

relação indicada.

*** O valor de n é o número representativo da pressão dinâmica ou ganhos de velocidade num

acessório, e pode-se converter no comprimento equivalente adicional da conduta através da seguinte

equação:

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Onde:

L= comprimento equivalente adicional (metros)

hv= pressão dinâmica para V1 ou V2 (mm c.a.)

hf= perda por atrito por metro, diâmetro da conduta em hv1 (mm c.a.)

n= valor um determinado acessório

Tabela 1.5: Perda de carga em curvas de secção rectangular

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Tabela 1.5 –Perda de carga em curvas de secção rectangular (continuação).

* Dobras difíceis como representado:

** Para outras relações de raio ver a tabela 6.4

*** Para outras dimensões ver tabela 1.4

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Tabela 1.6: Perda de carga num sistema de condutas circulares.

* L e D estão em metros. D é o diâmetro da curva. L é o comprimento equivalente adicional da

conduta somado ao comprimento medido. O comprimento equivalente L é igual a D multiplicado pela

relação indicada.

** O valor de n representa a perda de pressão e pode-se converter no comprimento equivalente

adicional da conduta através da seguinte equação:

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Onde:

L= comprimento equivalente adicional (metros)

hv= pressão dinâmica em V2 (mm c.a.)

hf= perda por atrito por metro, diâmetro da conduta em V2 (mm c.a.)

n= valor para T ou cruz

Tabela 1.7: Perda de carga em curvas de secção circular.

Normalmente não se utiliza este método porque para resolver o problema com uma precisão

razoável, é necessário muita experiência e conhecer perfeitamente o cálculo das condutas. Só

se deve utilizar em sistemas muito elementares, e nesses casos devem-se instalar comportas

divisórias para compensar o sistema.

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Exemplo: Método da redução da velocidade para cálculo de condutas

Dimensione um sistema de condutas cujas vazões de três saídas (bocas) são de 10 m3/min e

duas de 30 m3/min (Figura 1.2).

Figura 1.2: Disposição de condutas para um sistema de baixa velocidade – Exercício 1.

Solução:

Arbitrariamente, fixamos a velocidade no ventilador em 10 m/s ou 600 m3/min e vamos

reduzindo gradualmente até 400 m3/min na saída 1. Por questões de facilidade na instalação

nas condutas, vamos fixar uma das dimensões em 300 mm.

Troço E (saída 1)

Troço D

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Saída 2

Troço C

Saída 3

Troço B

Saída 4

Troço A

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Saída 5

No ventilador

Retorno (admitindo 10% de perda)

Ar exterior

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1.2.2 MÉTODO DE PERDA DE CARGA CONSTANTE

Este método utiliza-se em condutas de insuflação, retorno e extracção de ar, e consiste em

calcular as condutas de forma que tenham a mesma perda de carga por unidade de

comprimento, ao longo de todo o sistema.

É um método melhor que a de redução de velocidade porque nos traçados simétricos não

requer posterior compensação. Se a instalação consta de troços curtos e compridos, o mais

curto necessita de muito amortecimento.

Um sistema deste tipo é difícil de equilibrar pois o método de perda de carga constante não

tem em conta o equilíbrio de quedas de pressão nos distintos ramos, nem está provido de

meios para igualar as quedas de pressão para a mesma pressão estática em cada saída terminal

de insuflação.

O procedimento mais corrente consiste em seleccionar uma velocidade inicial na conduta

principal próxima do ventilador.

Esta velocidade deduz-se da Tabela 1.1, em que o factor restritivo é o nível de ruído. Neste

caso utiliza-se o Gráfico 1.1, partindo da velocidade e caudal de ar, para determinar a perda de

carga por unidade de comprimento. Esta deve manter-se constante ao longo do sistema, e o

diâmetro da conduta circular equivalente deduz-se na respectiva tabela.

Para abreviar os cálculos da secção de condutas utiliza-se frequentemente a Tabela 1.8 que

proporciona os mesmos resultados que o gráfico de perdas de carga.

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Tabela 1.8: Percentagem de área de secção recta em troços de forma a conservar constante a perda de

carga.

Com os dados que fornece a Tabela 1.8 ou os diâmetros obtidos no Gráfico 6.1, entra-se na

Tabela 1.4 para seleccionar as dimensões da conduta rectangular. Esta forma de dimensionar

as condutas reduz automaticamente a velocidade de ar no sentido da corrente.

Para determinar a perda de carga total, que deve ser superada pelo ventilador, é necessário

calcular a perda de carga no ramo que tenha maior resistência. A resistência deve incluir as

curvas e acoplamentos correspondentes referentes à dita conduta.

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Exercício 1: Método de perda de carga constante para o cálculo de condutas

Dados:

Sistema de condutas para escritórios públicos

Volume de ar 9000 m3/h

18 saídas de insuflação 500 m3/h por saída

Pressão nas bocas 3,8 mmc.a.

Raio das curvas R/D=1,25

Figura 1.3: Disposição de condutas para um sistema de baixa velocidade.

Calcular:

1) Velocidade inicial na conduta, secção, dimensões e perda de carga na conduta

principal desde o ventilador até ao primeiro ramo.

2) Dimensões das restantes condutas.

3) Comprimento equivalente da conduta de maior resistência

4) Pressão estática na descarga do ventilador.

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1.2.3 MÉTODO DE RECUPERAÇÃO ESTÁTICA

O fundamento de este método consiste em dimensionar a conduta de forma a que o aumento

de pressão estática (aumento devido à redução de velocidade) em cada troço, ou boca de

insuflação, compense as perdas de carga na secção seguinte da conduta. Desta forma a

pressão estática será a mesma em cada boca e no início de cada troço.

Figura 1.4: Características da pressão na conduta principal para o método de recuperação estática.

Para calcular uma conduta por este procedimento adopta-se o seguinte método:

• Seleccionar uma velocidade inicial para a descarga do ventilador Tabela 1.1;

• Dimensionar a primeira secção da conduta através da Tabela 1.2;

• As restantes secções da conduta dimensionam-se por meio do Gráfico 1.2 (relação

L/Q) e Gráfico 1.3 (recuperação estática em baixa velocidade);

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Gráfico 1.2: Relação L/Q.

O Gráfico 1.2 utiliza-se para determinar a relação “L/Q” conhecendo o caudal de ar “Q” e o

comprimento “L” entre duas bocas, ou dois troços da secção da conduta que se vai

dimensionar pelo método da recuperação estática.

Este comprimento “L” é a equivalente entre bocas ou troços incluindo as curvas e

prescindindo das transformações. O efeito da transformação tem-se em conta no Gráfico 1.3

de recuperação estática. Isto supõe que a transformação foi projectada de acordo com as

indicações que se estudaram neste capítulo.

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Gráfico 1.3: Recuperação estática em baixa velocidade.

O Gráfico 6.3 utiliza-se para determinar a velocidade da conduta que se está a calcular. Os

valores da relação “L/Q” e da velocidad “V1” na secção anterior a que se está a calcular são

os que se irão utilizar como entrada no Gráfico 1.3.

Deste gráfico obtem-se “V2” que, junto com o caudal, nos dará a secção da conduta. Esta

secção proporcionará na Tabela 1.2 as dimensões da conduta rectangular ou o diâmetro da

conduta circular equivalente.

Esta secção permitirá que a perda de carga ao longo do mesmo iguale o aumento de pressão

estática que se produz pela mudança de velocidade após cada derivação ou boca de

insuflação. Não obstante, em alguns casos a redução de secção da conduta é demasiado

pequena para que mereça a pena realizá-la. Noutros casos a redução poderia resultar maior do

que necessário.

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Isto produz um ganho ou perda na secção da conduta, que deve repercutir sobre o ventilador.

Normalmente a perda ou ganho é pequeno e em muito casos pode-se ignorar.

Em vez de projectar o sistema de condutas para que o ganho ou perda seja nulo, é possível

fazê-lo de modo a que se tenha um ganho ou perda constante em todo o sistema, ou parte dele,

mas isto aumenta o preço e o tempo necessário para equilibrar o sistema, e pode fazer com

que seja necessário aumentar a potência do motor do ventilador.

Mesmo que normalmente não se recomende calcular o sistema para uma perda de carga

constante, reduz-se dessa forma o tamanho das condutas.

Exercício 2: Método de recuperação estática para o cálculo de condutas

Dados:

Sistema de condutas para escritórios públicos

Volume de ar 9000 m3/h

18 saídas de insuflação 500 m3/h por saída

Pressão nas bocas 3,8 mmc.a.

Raio das curvas R/D=1,25

Calcular:

1) Tamanho das condutas.

2) Pressão estática total na descarga do ventilador.

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1.2.4 COMPARAÇÃO DO MÉTODO DE RECUPERAÇÃO ESTÁTICA COM

O DE PERDA DE CARGA CONSTANTE

Os exercícios 1 e 2 demonstram que os tamanhos da conduta principal são os mesmos, tanto

pelo método de perda de carga constante, como pelo de recuperação estática. Não obstante,

nos troços resultam condutas maiores quando se calculam por recuperação estática.

O peso da chapa de metal que necessitam as condutas calculadas por recuperação estática é

cerca de 13% maior que quando se calcula por perda de carga constante, mas o aumento de

preço de custo compensa-se ao reduzir os gastos de exploração e em tempo necessário para

equilibrar o sistema.

Supondo que nos exercícios 1 e 2 temos um sistema de baixa velocidade, com um caudal de

ar de 9000 m3/h e uma pressão nas bocas de insuflação de 3,8 mm c.a., o aumento de potência

que se necessitaria calculando as condutas pelo método de perda de carga constante,

determina-se da seguinte forma:

Este aumento de cerca de 10% de potência supõe um motor de maior potência com o

consequente aumento dos custos do equipamento e das instalações eléctricas.