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INSTALAÇOES DE AR CONDICIONADO

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Academic year: 2021

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-INSTALAÇOES DE

AR CONDICIONADO

HÉLIO CREDER

Engenheiro Eletricista

MSc em Engenharia Mecânica - UFRJ

Membro

da

ABRA V A

Diploma do Mérito Profissional Conferido pelo CONFEA

edição

LTC

(3)

·~i.

No interesse de difusão da cultura e do conhecimento, o autor e os editores envidaram o máximo esforço para localizar os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado, dispondo-se a possíveis acertos posteriores caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido orrútida.

1' Edição: 1981 2• Edição: 1985 3' Edição: 1987 4' Edição: 1989- Reimpressão: 1994 S• Edição: 1996- Reimpressões: 1997 e 2000 & Edição: 2004

Direitos exclusivo~ para a língua portuguesa

Copyright © 2004 by Hélio Creder

LTC- Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.

Travessa do Ouvidor, 11

Rio de Janeiro, RJ - CEP 20040-040 TeL: 21-2221-9621

Fax: 21·2221-3202

Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação

ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web ou outros),

(4)

·~;-Prefácio da

6Q

Edição

Ainda que os fundamentos para o projeto de sistemas de ar condicionado pennaneçam inalterados, a

evolução tecnológica dos equipamentos tem possibilitado novas formas de condicionamento de

ambi-entes mais eficazes do ponto de vista energético e das condições de conforto.

Assim, embora as nonnas brasileiras e internacionais que tratam dos sistemas de ar condicionado ainda não reflitam integralmente as alterações ocorridas no setor, há necessidade de dotar os profissionais dos conhecimentos necessários a projetas que levem em conta essas mudanças tecnológicas.

Essa foi a motivação da 6~ edição. Nela incorporamos o projeto de novos sistemas dentre os quais

aqueles .. ·que utilizam processos evaporativos e a co-geração como forma de diminuir o consumo de

ele-tricidade, bem como os "split-systems". Esses últimos constituem uma opção que toma os ambientes de trabalho e de lazer mais silenciosos e confortáveis.

Esperamos com esta edição, manter o leitor informado sobre a possibilidade de uma escolha mais ampla do sistema de condicionamento de ar a ser projetado.

Ficarei grato a todos os que opinarem sobre o livro, apontando lacunas e/ou sugerindo modificações necessárias.

(5)

Prefácio da 5º Edição

Esta nova edição já se fazia necessária há algum tempo, em face das novidades técnicas que surgem. Nela foram introduzidas algumas modificações imprescindíveis, a saber:

- os fréons- tradicionais fluidos frigorfgenos que, segundo os cientistas, causam danos à camada de

ozônio- deverão ser substituídos por outros fluidos, como, por exemplo, o SUV A da DuPont.

Al-guma informação a respeito foi acrescentada tendo em vista as futuras substituições. Para maiores detalhes, o leitor deverá consultar as publicações específicas daquela empresa;

- houvf acréscimo de figuras com exemplos de ventilação natural, típicos de países árabes;

- no Cap. 8, foi acrescentado um item relativo ao sistema de "resfriamento evaporativo", que está

sen-do muito desenvolvisen-do nas principais cidades onde a umidade relativa é mais baixa;

- continua disponível o software para o cálculo estimativo da carga ténnica, e outros softwares para

cálculos de dutos estão sendo elaborados. As informações constam do cartão-resposta comercial que

acompanha o livro. O leitor interessado deverá seguir as orientações, preencher o cartão, fazer o

de-pósito e enviar o comprovante via fax ou carta;

enfim, ao longo do livro foram feitas pequenas modificações visando a melhorar figuras e a fornecer maiores esclarecimentos.

Esperando que nesta edição tenha havido uma real melhoria em relação à anterior, aceitaremos de

bom gradO críticas e sugestões dos nossos prezados leitores.

(6)

Prefácio da

Edição

Este livro destina-se aos iniciantes no estudo e prática das instalações de ar condicionado, ventilação e exaustão. O objetivo principal do autor foi o de dar uma visão global deste tipo de instalação, procu-rando abordar o mínimo indispensável, em cada capítulo, dos assuntos que devem ser aprendidos pelo futuro profissionaL

No primeiro capítulo são apresentados os fundamentos básicos necessários ao estudo físico do ar; no segundo, os dados para o projeto; no terceiro, o cálculo da carga térmica; no quarto, o estudo sobre os meios de condução do ar; no quinto, ventilação e exaustão; no sexto, torres de arrefecimento e condensadores evaporativos; no sétimo, controles automáticos; e no oitavo, instalações típicas. No final dos capítulos estão propostos exercícios, com respostas no final do livro.

Em conseqüência da adoção pelo nosso País do sistema internacional de medidas (SI), procurou-se,

dentro do possível, exprimir os resultados dos exercícios e tabelas nas duas unidades: sistema inglês e sistema internacional. Neste período de transição, em que prevalecem em todo meio tecnológico de ar condicionado as unidades inglesas, consideramos ser indispensável continuar falando a mesma lingua-gem dos profissionais do ramo e aos poucos irmos substituindo essas unidades pelo sistema internacio-nal, muito mais racional e prático- tarefa que demandará alguns anos.

Sempre que possível, procurou-se, nos exemplos, difundir a tecnologia nacional, transcrevendo da-dos de fabricantes da-dos equipamentos instalada-dos no País, embora quase toda-dos sejam de know-how impor-tado.

É fato conhecido que a tecnologia do ar condicionado e ventilação está em constante evolução e que qualquer assunto explanado está sujeito a mudanças periódicas, por isso os estudiosos e profissionais do ramo, qve desejarem constante aperfeiçoamento e atualização, deverão consultar publicações técnicas específicas para cada um dos respectivos fabricantes.

Desejamos agradecer a todas as pessoas ou firmas que cooperaram direta ou indiretamente na execu-ção deste livro, em especial aos integrantes da Hélio Creder Engenharia, que executaram e adaptaram quase todas as ftguras e demais serviços de coordenação dos assuntos.

Esperando contribuir para o ensino técnico em nosso País, dedicamos este livro aos professores, alu-nos e profissionais do ramo que juntos irão difundir conhecimentos e executar instalações de modo que o conforto do ar condicionado e da ventilação possa ser usufruído por todos. Receberemos de bom grado

quaisquer críticas ou sugestões que possam tornar este livro mais útil, para o que solicitamos escrever à

Editora.

(7)

Sumário

1. INTRODUÇÃO ... 1

1.1 Massa, Força e Peso ... . ... 2

1.2 Pressão ... 3

1.3 Temperatura ... 5

1.3.1 Escalas tennométricas ... 6

1.3.2 oUtras propriedades termodinâmicas ... . .. ... 8

1.4 Calor ... . ... 8

1.4.1 Capacidade térmica... . ... 10

1.4.2 Calor específico... . ... 10

1.4.3 Condução de calor ... 11

1.4.3.1 Condução de calor em paredes planas (experiência de Fourier- 1825) ... 12

1.4.3.2 Condução de calor através de placas paralelas ... 12

1.4.3.3 Analogia com o circuito elétrico ... 14

1.4.4 Calor sensível ... 16

1.4.5 Calor latente ... .. ... 17

1.5 Primeira Lei da Termodinâmica ... . . ... 17

1.5.1 En~rgia ... . . ... 17

1.5.2 Energia transferida a um sistema ... 17

1.5.3 Trabalho ... 18

1.5.4 Avaliação das energias potencial e cinética ... 19

1.5.5 Aplicação da I~ lei aos sistemas ... .. . ... 21

J .5.6 Entalpia ... . . ... 22

1.6 Segunda Lei da Termodinâmica ... . . ... 24

1.6.1 Ciclo de Camot ... .. . ... 25

1.6.2 Ciclo reverso de Carnot ... 26

1.6.3 Gás real e gás perfeito (ideal) ... 28

1.6.4 Desigualdade de Clausius ... 28

1.6.5 Entropia e desordem ... 29

1.7 Mistura Ar-Vapor d'Água ... 30

1. 7 .I Umidade absoluta e umidade relativa ... 31

1.7.2 Ponto de orvalho (dew point) do ar... .. ... 32

1.8 Carta Psicrométrica ... . ... 34

1.9 Umidificação e Desumidificação ... . .. ... 40

1.9.1 Trocas de calor entre o ar e a água... .. ... 41

1.9.2 Misturas de ar... ... ... .. ... 41

1.10 Vazão Necessária de Ar ... 43

(8)

...

;.

Xii SUMÁRIO

1.11 Cálculo da Absorção de Umidade do Ar de Insuflamento ... 43

1.12 Capacidade dos Equipamentos do Sistema de Expansão Direta ... . ... ··· ... 45

1.13 Capacidade dos Equipamentos do Sistema de Expansão lndireta ... 46

1.14 Resfriamento pela Evaporação ... 47

1.15 Noções sobre Refrigeração ... 49

1.16 Fluidos Refrigerantes SUV A da DuPont ... 50

1.16. I Introdução ... 50

1.16.2 Considerações genéricas ... 53

1.16.3 Comparações de desempenho ... 53

1.16.4 Compatibilidade dos materiais ... 54

1.17 Definições ... 54

1.18 Sistemas de Refrigeração ... . ... 56

1.18.1 Sistema de refrigeração por absorção ... 56

1.18.2 Sisten:ta de ejeção de vapor ... 58

1.18.3 Sisterila de compressão de ar ... 58

1.18.4 Sistema de compressão de vapor ... 58

1.18.5 Sistema termoelétrico ... 58

1.19 Considerações Físicas da Insolação ... 58

1.19.1 Definições... . ... 59

1.19.2 Determinação da elevação do Sol (a) ... 63

1.19.3 Determinação do azimute do Sol (Az) ... 65

1.19.4 Intensidade da radiação direta "F' sobre uma superfície em W/m2 ... 65

1.19.5 Radiação solar total recebida na superfície da Terra (1,) ... 70

1.19.6 Transmissão da radiação solar através dos vidros ... 72

2. DADOS PARA O PROJETO ... 76

'

2.1 Condições de Conforto ... 76

2.2 Requisitos Exi:gidos para o Conforto Ambiental ... 76

2.3 2.4 Sistemas de Ar Condicionado ... 80

Tipos de Condensação ... . ... 80

2.5 Tipos de Instalação ... 84

2.6 Estimativa do Número de Pessoas por Recinto ... 84

2.7 Sugestões para a Escolha do Sistema de AC mais Indicado ... 84

3. CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA ... 88

3.1 Carga de Condução- Calor Sensível ... 88

3.2 Carga Devida à Insolação- Calor Sensível... . ... 93

3.2.1 Transmissão de calor do Sol através de superfícies transparentes (vidro) ... 93

3.2.2 Transmissão de calor do Sol através de superfícies opacas ... 96

3.3 Carga Devida aos Dutos- Calor Sensível ... 97

3.4 Carga Devida às Pessoas- Calor Sensível e Calor Latente... ... . ... 98

3.5 Carga Devida aos Equipamentos- Calor Sensível e Calor Latente ... 100

3.5.1 Carga devida aos motores- calor sensível ... 100

(9)

SUMÁRIO XÜi

3.5.3 Carga devida aos equipamentos de gás- calor sensível e calor latente ... l02

3.5.4 Carga devida às tubulações- calor sensível ... . ··· ... 104

3.6

Carga Devida à Infiltração- Calor Sensível e Calor Latente ··· ··· 105

3.6.1 Método da troca de ar ... . . ... 105

3.6.2 Método das frestas ... .

··· 106

3.7 Carga Devida à Ventilação .. . ··· 107

3.8 Carga Térmica Total ... . ··· ... 109

3.9 Total de Ar de Insuflamento ... . ··· 109

3.10 Cálculo da Absorção da Umidade dos Recintos. ... ··· ... 110

3.11 Cálculo do Calor Latente ··· ··· ··· ll1 3.12 Cálculo do Calor Total Usando a Carta Psicrométrica ... . . ... 112

3.13 3.14 3.15 Determinação das Condições do Ar de Insuflamento ... . ··· ... 114

Estimativa de Carga Térmica de Verão... . ... . ··· 117

Métodos Rápidos para Avaliação da Carga Térmica de Verão para Pequenos Recintos ... 119

3.15.1 Unidades compactas (se!f-contained) ... ... . ... . .. 119

3.15.2 Unidades de ar condicionado individuais ... . . ... 122

3.15.3 Unidades individuais com condensador remoto externo e evaporador interno, com controle remoto 3.16 Exemplo de Cálculo da Carga Térmica de uma Instalação Central de Ar Condicionado ... . .. 124

... 124

4. MEIOS DE CONDUÇÃO DO AR ... 138

4.1 4.2 Dutos de Chapas Metálicas ... . ... . ... 138

4.1.1 Métodos de dimensionamento de dutos ... . 4.1.1.1 Método da velocidade ... . 4.1.1.2 Método da igual perda de carga ... . 4.1.1.3 Método da recuperação estática ... . 4.1.1.4 Bitolas recomendadas para as chapas galvanizadas 4.1.2 Perdas de pressão em um sistema de dutos ... . ··· 140 .. 147 . ... 150 152 ... 158 .. 158

4.1.2. I Perdas de pressão estática (P,) ... . ··· ··· ... 159

4.1.2.2 Perdas de pressão dinâmica (P,.) ... . 4.1.2.3 Perdas de carga acidentais ... . 4.1.2.4 Pressão de resistência de um sistema de dutos (P,) 4.1.3 Isolamento e junção dos dutos ... . Distribuição de Ar nos Recintos ... . 4.2.1 Grelhas simples e com registras ... . 4.2.1.1 Escolha da altura da grelha de insuflamento. . ... . 4.2.1.2 Distância entre as grelhas de insuflamento .. 4.2.1.3 Seleção das grelhas de insuOamento ... . 4.2.1.4 Detenninação da vazão de uma grelha .. 4.2.2 Difusores de tcto ou aerofuses ... . 4.2.3 Difusores lineares tipo fresta ... . 4.2.4 Difusores lineares através de luminárias do tipo integradas ... 4.2.5 Diqribuição de ar em teatros e cinemas . . ... 159 159 . .. 159

... 163

. ... 163 .. 163 . .... 167 ··· 167 . .... 167 ··· 170 . ... 171 ··· 177 ... 181 . ... !SI

(10)

·~:. XiV SUMÁRIO

5.

VENTILAÇÃO E EXAUSTÃO ... : ... 185

5.1 Generalidades ... 185 5.2 5.3 5.1.1 Leis dos ventiladores ... 186

Ligações e Tipos de Ventiladores ... ... . ... 187

Ventiladores Centrífugos ... 188 5.3.1 Partes essenciais ... . ··· 188 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 Tipos ... . Arranjos ... . ··· ··· 188 ··· ··· 189 Tipos de descarga ... . Tipos de rotares ... . ··· 189 ··· 190

Velocidades recomendadas para o ar ... . ··· 191

Especificações de ventiladores ... 191

Especificações das correias em "V' de transmissão ... 192

5.3. 9 Especificações para motores de acionamento ... . ... 192

5.3.10 Conio escolher um ventilador ... 192

5.4 Trocas de Ar nos Recintos... . ... 197

5.5 Velocidades Recomendadas para o Ar ... 197

5.6 Ventilação Geral ... 198

5.6.1 Volume de ar a insuflar ... 198

5.6.2 Tipos de ventilação ... . . ... 200

5.6.3 Projeto de uma instalação de ventilação geral ... 200

5.6.4 Ventilação em residências ... 204 5.7 Exaustão... ... . ... 206 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.7.5 Capto,r ... 206 Dutos.de ar ... 208 Ventilador ... 209 j Chamtnés ... 210 .Exemplo de dimensionamento ... ... . .. 211

5.7.5.1 Dimensionamento do captor (coifa) ... 211

5.7.5.2 Dimensionamento dos dutos ... 213

5.7.5.3 Chaminé... . ... 213

5.7.5.4 Ventilador ... 213

6. TORRES DE ARREFECIMENTO E CONDENSADORES EVAPORATIVOS ... 216

6.1 Introdução ... 216

6.2 Torres de Arrefecimento... ... . ... 216

6.2. t Tabelas climatológicas... .. 219

6.2.2 Escolha de uma torre de arrefecimento ... 219

6.2.3 Perdas de água ... 222

6.2.4 Esquemas de instalações de resfriadores compactos ... . ... 222

6.2.5 Quantidade de água de circulação ... 225

6.2.6 Escolha de bomba da água de circulação (BAC) ... 226

6.2. 7 Potência da bomba da água de circulação (BAC) ... . ... 226

6.3 Condensadores Evaporativos ... 227

Referências

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