APARATO EXPERIMENTAL
3.5. PROJETO INICIAL
3.5.1. Detalhamento do cálculo do projeto
Para o dimensionamento do sistema foram tomadas por base as informações climáticas de João Pessoa que constam na Norma NBR 6401 (1980) da ABNT, nas condições do verão. Também foram considerados os dados do manual da DRI, fabricante dos rotores, tanto para o desempenho do rotor dessecante quanto para o desempenho do rotor sensível. Os dados que constam da Norma NBR 6401 (1980) para as propriedades do ar atmosférico em João Pessoa no verão são:
Temperatura de bulbo seco = 32 oC; Temperatura de bulbo úmido = 26 oC;
Correspondendo a uma razão de umidade = 18,79 g de vapor/kg de ar seco. Entalpia do ar atmosférico (hatm) = 100,3 kJ/kg.
As condições constantes da norma NBR 6401 para as propriedades do ar em que o conforto térmico pode ser assegurado em ambientes climatizados como residências, hotéis, escolas e escritórios são:
Temperatura de bulbo seco = 26,5 oC; Umidade relativa = 65 %;
Correspondendo a uma razão de umidade = 14,13 g de vapor/kg de ar seco.
A partir destas informações passa-se a verificar as condições em que o sistema deveria operar para atender a potência frigorífica e as condições de conforto térmico destes ambientes. Consultando o gráfico de desempenho do rotor dessecante Figura 3.23, para a condição de entrada do ar atmosférico no verão em João Pessoa, se obtém o ar com as seguintes propriedades na saída do rotor:
Temperatura de saída do ar de processo de aproximadamente 53 oC; Razão de umidade de 12 g de vapor/kg de ar seco.
Conforme o que está indicado em vermelho na Figura 3.23. Inicialmente, foi usada a carta do rotor dessecante para a temperatura de regeneração de 120 oC com o objetivo de verificar, se com está temperatura as condições exigidas no projeto seriam alcançadas. Posteriormente a carta para a temperatura de regeneração de 140 ºC foi usada com o mesmo propósito.
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Figura 3.23. Carta de desempenho do rotor dessecante a 120 oC.
Seguindo o fluxo do ar de processo, passa-se a avaliar as condições em que o ar entra e saí do 1º rotor sensível. Os dois rotores sensíveis são de fabricação da DRI modelo HRW 700 com 700 mm de diâmetro e 270 mm de espessura. Operando com vazões de processo e resfriamento de 1924 m3/h e velocidade do ar de 3 m/s. Para efeito dos cálculos preliminares, a efetividade do rotor sensível foi determinada usando os gráficos de desempenho fornecidos pelo fabricante. A efetividade usada nos cálculos foi de 85 %, conforme o que pode ser obtido cruzando os dados do rotor, características do escoamento, com as informações disponibilizadas na Figura 3.24.
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O método usando pelo fabricante para a determinação de efetividade do rotor sensível é o método clássico
ε
-NUT. Para realização dos calculo da efetividade foi usado o esquema da Figura 3.25.Figura 3.25. Demonstração esquemática das trocas de calor no rotor sensível.
Considerando as quantidades envolvidas no escoamento das duas correntes de ar, a efetividade pôde ser calculada pela seguinte expressão:
ε
= (mar*Cp) (Tpent – Tpsai) / (mar*Cpmín) *ΔTmáx (3.1) Onde:ε
é a efetividade, mar é a massa de ar de processo que é igual à massa de ar de resfriamento.Usando a Equação 3.1 e considerando as propriedades de saída do ar de processo do 1o rotor dessecante que flui para a entrada do 1o rotor sensível, foram obtidas as propriedades do ar na saída deste rotor, conforme os dados da Tabela 3.8.
O ar que entra na seção de resfriamento do 1º rotor sensível é captado diretamente da atmosfera. Para os cálculos a temperatura de entrada do ar na seção de resfriamento do rotor sensível foi imposta em 31 ºC, simulando uma condição normal de funcionamento no clima de João Pessoa.
Tabela 3.8 condições de saída do 1o rotor sensível.
Fluxo de ar Vazão (m³/h) T. entrada (°C) T. saída (°C)
Ar de Processo 1924 53 34,3
Com as mesmas propriedades de saída do 1o rotor sensível o ar de processo entra no 2o rotor dessecante, ou seja:
Temperatura de bulbo seco = 34,3 ºC;
Razão de umidade de 12 g de vapor /kg de ar seco.
Com estás propriedades, deve-se voltar à Figura 3.23 e usa-las como condição de entrada no 2º rotor dessecante, a fim de obter as propriedades de saída do ar de processo deste rotor. Neste sentido as linhas em azul devem ser observadas. Fazendo o cruzamento das informações sobre as propriedades de entrada e as curvas do gráfico, às propriedades de saída são obtidas, tendo os valores de:
Temperatura de saída do ar de processo = 50 oC; Razão de umidade = 6 g de vapor/kg de ar seco.
Saindo do 2º rotor dessecante o ar de processo flui para o 2º rotor sensível. O ar que entra na seção de resfriamento do 2o rotor sensível é captado do ambiente climatizado, considerando que o ar esteja nas condições de conforto térmico, ou seja, a 26,5 oC e razão de umidade de 14,13 g/kg de ar seco, e se no resfriador evaporativo secundário for obtida uma umidificação de 100 % a temperatura de 21 oC seria alcançada na entrada da seção de resfriamento do 2o rotor sensível. Considerando a mesma metodologia de cálculo da efetividade usada para o 1o rotor sensível, as propriedades de saída do ar de processo são:
Temperatura de saída do ar de processo = 25,3 oC; Razão de umidade = 6 g de vapor/kg de ar seco;
Entalpia de entrada no resfriador evaporativo (heeva) = 60,75 kJ/kg.
Saindo do 2o rotor sensível o ar de processo entra no resfriador evaporativo. Com as condições de entrada e simulando com ajuda do software CATT, uma umidificação de 100 % no resfriador evaporativo, foram obtidas as seguintes propriedades para o ar que seria enviado ao ambiente climatizado:
Temperatura do ar de processo na entrada no ambiente a ser climatizado = 14,53 o
C;
Razão de umidade = 10,32 g de vapor/kg de ar seco;
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Comparando estes dados com os dados exigidos para o conforto térmico pela Norma NBR 6401, chega-se a conclusão que, o sistema proposto alcançaria as condições de conforto térmico, tendo em vista que tanto a temperatura quanto a razão de umidade estão abaixo das de conforto térmico. Com o ar entrando no ambiente climatizado com estas condições realizaria as trocas de calor e massa suficientes para produzir o conforto térmico.
Com a constatação do atendimento da condição de conforto térmico uma das condições impostas no projeto seria atendida. A segunda exigência do projeto é a potência frigorífica, que pode ser calculada considerando a vazão mássica do ar de processo e a diferença de entalpia entre o ar atmosférico e a entalpia do ar de entrada no ambiente a ser climatizado, dada pela seguinte expressão:
PF = Var*ρar*(hatm – heamb) (3.2)
Substituindo os valores das variáveis envolvidas no processo na Equação 3.2, a potência frigorífica de 24,4 kW foi obtida. Este resultado mostra inicialmente que a carga térmica de 24,4 kW seria atendida, usando a temperatura de regeneração de 120 ºC.
A energia utilizada para a regeneração do material dessecante dos rotores foi calculada considerando a variação da energia interna do ar que é usado na regeneração. Neste caso a temperatura de regeneração usada nos cálculos foi de 120 ºC e a temperatura do ar de entrada para o aquecedor estipulada em 30 ºC. A quantidade de calor usada na regeneração foi obtida pela Equação 3.3.
QR = Varr*ρar*Cpar*(120 – 30) (3.3)
O valor obtido para o calor de regeneração para a temperatura de 120 ºC e vazão de ar de 641 m3/h, foi de 18,75 kW. Este valor está relacionado à energia usada em um dos rotores dessecante, para encontrar o valor da energia total que seria usada nos dois rotores, este resultado foi multiplicado por dois, ou seja, a energia usada na regeneração com os dois rotores dessecante funcionando seria de 37,5 kW, uma vez que os dois rotores funcionam sob as mesmas condições.
QR PF
COP= (3.4)
O COP esperado para a temperatura de regeneração de 120 oC foi de:
COP = 24,4 kW / 37,5 kW = 0,65.
O procedimento de cálculo adotado para a determinação capacidade de refrigeração do sistema e avaliação do atendimento das condições de conforto térmico foi repetido, alterando a temperatura de regeneração de 120 para 140 ºC. Os resultados dos cálculos foram:
Temperatura de entrada do ar de processo no resfriador evaporativo = 24,4 ºC; Razão de umidade do ar de processo na entrada do resfriador evaporativo = 5 g de vapor/kg de ar seco;
Entalpia do ar de processo na entrada do ambiente a ser climatizado= 57,29 kJ/kg; Temperatura do ar de processo na saída do resfriador evaporativo/entrada do ambiente climatizado = 13,24 ºC;
Razão de umidade do ar de processo na entrada do ambiente climatizado = 9,50 g de vapor/kg de ar seco;
Potência frigorífica (CF) = 26.56 kW;
Calor usado na regeneração (QR) = 45,84 kW. COP = 26.56 kW / 45,84 kW = 0,58.
Analisando os resultados previstos no projeto inicial para o funcionamento do sistema a 140 ºC é possível concluir que o sistema alcançaria a condição de conforto térmico exigidas pela Norma e também conseguiria atender a uma potência frigorífica de 21 kW, submetido às condições de funcionamento pré-estabelecidas.
Na Figura 3.26 é apresentado de forma ilustrativa o comportamento do sistema conforme o projeto inicial, para as duas temperaturas de regeneração.
69 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Temperatura ºC 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 Ra zã o d e U m id ade kg de va por /kg ar se co
Figura 3.26. Comportamento do sistema conforme projeto inicial.
Observando na Figura 3.26 se constata que não é necessário uma umidificação de 100 % para se atingir a zona de conforto térmico para o ambiente a ser climatizado. Mas também deve ser considerado que todos os estágios pelos quais o ar de processo passa, são considerados como ideais.