Capitulo 5
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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
INSTITUTO POLITÉCNICO DE TOMAR
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.