Após a realização das medições das câmaras frigoríficas e levantamento das informações de processo, foi realizado o cálculo da carga térmica de cada um dos ambientes refrigerados.
Segundo ASHRAE (2018) a carga de térmica total inclui o calor transferido para o espaço refrigerado através de sua superfície, a carga térmica do produto, que é o calor a ser removido do produto mantido no espaço refrigerado, carga interna, que é o calor produzido por fontes internas, como luzes, motores elétricos e pessoas que trabalham no ambiente e a carga de ar, que é o ganho de calor associado ao ar que entra no espaço refrigerado ao efetuar aberturas de portas.
Para o cálculo da carga térmica total utiliza-se a Equação 4.1.
qt=qtp+qp+qi+qia (4.1)
Onde carga térmica total (qt), em kW, carga de transmissão através das paredes (qtp), carga térmica do produto (qp), carga térmica interna (qi) e carga térmica de infiltração através da porta (qia), cada um representando uma parcela da carga térmica. Para todo o procedimento de cálculo da carga térmica foi utilizado ASHRAE (2018) como referência.
4.3.1 Transmissão através das paredes
Essa seção apresenta o procedimento de cálculo da transmissão de calor através das paredes. Esse procedimento deve ser feito para as paredes, teto e piso.
Para encontrar qual é oqtp é necessário conhecer a área (A) da parede, na unidade de m², variação de temperatura (∆T) entre o ar externo e o ar interno ao ambiente refrigerado e o coeficiente global de transferência de calor (U), na unidade de W/(m².K). Esses dados devem ser aplicados a Equação 4.2 para encontrar o fluxo de calor (q) em Watt.
qtp =U A∆T (4.2)
31 Utiliza-se a Equação 4.3 para encontrar qual é o U.
U = 1
1
hi + xk +h1
o
(4.3) Onde na Equação 4.3 temos condutância interna (hi), condutância externa (ho), ambos são valores tabelados e estão na unidade W/(m².K), espessura da parede (x) em metros e a condutividade térmica (k) em W/(m.K). Esse procedimento deve ser feito uma vez para cada parede do ambiente, incluindo piso e teto.
4.3.2 Carga térmica do produto
A carga térmica do produto é a quantidade de calor que deve ser removido deste para rea- lizar seu congelamento e reduzir sua temperatura até a temperatura final desejada. A quantidade de calor a ser removido até que o produto atinja a temperatura de início de congelamento pode ser calculada da seguinte forma Equação 4.4:
Q1 =mc1(T1−T2) (4.4)
Para o cálculo da quantidade de calor removido durante o processo de congelamento utiliza-se a Equação 4.5:
Q2 =mcpapp(T2−Tf) (4.5)
Como o produto a ser resfriado é uma mistura homogênea de diferentes componentes, o processo de congelamento ocorre com variação de temperatura. De acordo com Tavman, Kumcuoglu e Gauke (2007), o parâmetro calor específico aparente (cpapp), integrado no domínio da temperatura, indica a taxa de variação entálpica global durante o processo de congelamento, traduzindo desta forma a remoção de calor latente.
Para o cálculo da quantidade de calor removido do ponto de congelamento até a tempera- tura final desejada, abaixo do ponto de congelamento, utiliza-se Equação 4.6:
Q3 =mc2(Tf −T3) (4.6)
Nas equações acimaQ1,Q2eQ3são a quantidade de calor removido (Q) do produto e sua unidade é o kJ, temperatura inicial do produto (T1), temperatura de inicio do congelamento (T2), temperatura final de congelamento (Tf) e temperatura final após o congelamento (T3). Todas as temperaturas estão em °C, a massa do produto (m) está em kg. Após isso o calor específico acima da temperatura de congelamento (c1),cpappe calor específico abaixo da temperatura de congelamento (c2) todos na unidadekJ/(kg.K).
32 A capacidade de refrigeração necessária para remover calor do produto desde a tempe- ratura de entrada até a temperatura final de congelamento está relacionada com o tempo em que o produto irá ficar na câmara de congelamento. Quanto menor o tempo de permanência do produto na câmara, maior deve ser a capacidade de refrigeração da mesma. Para encontrar a carga térmica deve-se utilizar a Equação 4.7:
qp = Q1 +Q2+Q3
3600n (4.7)
Na Equação 4.7,qp e sua unidade é okW. Oné a quantidade em horas que o produto permanecerá na câmara de resfriamento.
4.3.3 Carga interna
Para carga térmica interna deve-se considerado tudo que esteja na câmara de conge- lamento e emite calor. Segundo ASHRAE (2018) devem ser considerados os equipamentos elétricos internos, como luzes, motores, aquecedores, empilhadeiras que manobram na área refrigerada e outros equipamentos. Equipamentos de processamento, considerando todos os equipamentos utilizados nos processos de moer, misturar, cozinhar ou embalar um produto e também devem ser consideradas as pessoas que estão trabalhando no ambiente.
A Tabela 3 mostra a carga interna gerada por motores de diferentes potências. Estão presentes três situações diferentes, um motor elétrico interno acionando um equipamento também interno ao ambiente refrigerado, um motor elétrico interno acionando um equipamento externo ao ambiente refrigerado e um motor elétrico externo acionando um equipamento interno ao ambiente refrigerado.
Tabela 3 – Ganho de calor através de motores elétricos típicos.
Potência RPM Motor interno Motor externo Motor interno nominal Equipamento Equipamento Equipamento
acionado interno acionado interno acionado externo
kW W W W
0.04 1500 105 35 70
0.06 170 59 110
0.09 264 94 173
0.12 340 117 223
0.19 1750 346 188 158
0.25 439 246 194
0.37 621 372 249
0.56 1750 776 557 217
0.75 993 747 249
Fonte: adaptado de ASHRAE (2018)
A Tabela 4 mostra a carga gerada por pessoas em ambiente refrigerados a diferentes temperaturas.
33 Tabela 4 – Calor equivalente por ocupação.
Temperatura do ambiente Calor equivalente por pessoa
ºC W
10 210
5 240
0 270
-5 300
-10 330
-15 360
-20 390
Fonte: adaptado de ASHRAE (2018)
Outra carga interna importante para o cálculo é a carga gerada por carrinhos que mantém o produto no ambiente. Para isso será utilizado a Equação 4.8.
q= mc∆T c
t n (4.8)
Ondemcé a massa do carrinho utilizado,∆T é a variação de temperatura,cé o calor específico do material do carrinho,té o tempo de permanência em segundos ené o número de carrinhos por lote.
4.3.4 Carga por infiltração de ar
A carga por infiltração de ar é gerada por todo ar externo que adentra o túnel de conge- lamento em momentos onde ocorrem manobra, carga e descarga e também através infiltrações indesejadas que ocorrem por falha de vedação.
Ficou definido por Gosney e Olama (1975 apud ASHRAE, 2018) a equação para troca de ar para fluxo completamente estabelecido Equação 4.9.
qg = 0.221A(hin−hr)ρr(1−ρin
ρr )0.5(gH)0.5Fm (4.9) Onde A é a área da porta do ambiente emm2, entalpia do ar da infiltração (hin) e entalpia do ar refrigerado (hr) ambos emkJ/kg. A densidade do ar de infiltração (ρin) e densidade do ar refrigerado (ρr) ambos ekg/m, constante gravitacional (g), altura (H) da porta em metros e fator de densidade (Fm) que deve ser encontrado através da Equação 4.10.
Fm = [ 2 1 + (ρρr
i)1/3]1.5 (4.10)
A Equação 4.9 permite encontrar um fluxo considerando o fluxo completamente esta- belecido pela área da porta, entretanto para adequar esse fluxo completamente estabelecido, ao fluxo existente somente durante a abertura de porta deve-se usar o fator de uso da porta. Para
34 isso deve-se usar a Equação 4.11.
Dt = (PΘp+ 60Θo)
3600θd (4.11)
Com tempo por passagem (θp) em segundos, tempo em que a porta permanece aberta (θo) em minuto, período de operação (θd) em horas e número de passagens (P).
Por fim utiliza-se a Equação 4.12 para encontrar a infiltração de calor através da porta.
qia=qgDtDf(1−E) (4.12)
Ondeqiase encontra em watt, carga de infiltração para fluxo totalmente estabelecido (qg), fator de tempo de abertura da porta (Dt), fator de fluxo da porta (Df) e eficácia do dispositivo de proteção da porta (E).
Os valores recomendados paraDf para portas operadas ciclicamente com diferenciais de temperatura menores que 11ºC é 1.1, e para diferenciais maiores é 0,8 (ASHRAE, 2018).
A eficácia do dispositivo de proteção de porta considera o modelo de proteção e qualidade do dispositivo. Segundo ASHRAE (2018) a eficácia E dos dispositivos de proteção de portas é de 0,95 ou superior para portas novas, dobra rápida e outras portas sem fechamento hermético. No entanto, dependendo do nível de tráfego e da manutenção da porta, E pode cair rapidamente para 0,8 nas portas do freezer e para cerca de 0,85 nas outras portas. Portas de tira ou de empurrar têm uma eficácia que varia entre 0,95 e 0,85 para congeladores e entre 0,95 e 0,90 para outras portas. A eficácia das cortinas de ar varia de muito fraca a mais de 0,7. Para situações a onde não há nenhum meio de proteção,Edeve ser considerado como 0.