TÍTULO: MODULAÇÃO AUTOMÁTICA DA VAZÃO DE AR EM SISTEMA FAN COIL PARA CONTROLE EFETIVO DA TEMPERATURA APLICADA AO CONFORTO TÉRMICO, FOCO EM ANALISAR A ESTABILIDADE PARA O PARÂMETRO DE 23ºC
CATEGORIA: CONCLUÍDO
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA SUBÁREA: Engenharias
INSTITUIÇÃO: FACULDADE ENIAC - ENIAC AUTOR(ES): FELIPE SIMÃO FERREIRA
ORIENTADOR(ES): MARCUS VALÉRIO ROCHA GARCIA, RENATO DE BRITO SANCHEZ
Modulação automática da vazão de ar em sistema fan coil para controle efetivo da temperatura aplicada ao conforto térmico, foco
em analisar a estabilidade para o parâmetro de 23ºC
Felipe Simão Ferreira 1 Renato de Brito Sanchez 2
1. RESUMO
Este trabalho é um estudo de comportamento de um equipamento térmico de um condicionador de ar do tipo fan coil utilizado para climatização de temperatura de conforto térmico, realizando modelagem matemática para controle de temperatura por meio do controle de vazão, de ar realizando simulação da modelagem matemática por meio do simulador Wolfram Alpha.
Palavras-chave: Climatização. Fan coil. Ar condicionado, Modelagem Sistema Térmico.
2. INTRODUÇÃO
O sistema de climatização artificial de ar, mais conhecido como ar condicionado consiste em controlar temperatura ambiente por meio de controle de um equipamento de refrigeração ou aquecimento para manter um ambiente em um dentro de uma temperatura de conforto térmico ou para um determinado processo com temperaturas controladas.
Na maioria dos casos o ar condicionado é utilizado para climatização de ambientes seguinte estudos de conforto térmico sendo assim um braço industrial da refrigeração industrial (STOECKER e JABARDO, 2002).
1 Acadêmico do curso de Engenharia de Mecatrônica, Centro Universitário ENIAC. e-mail: felipesimao.ferreira@gmail.com
2 Professor Mestre nos cursos de Engenharia, Centro Universitário ENIAC. e-mail: renato.brito@eniac.edu.br
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3. OBJETIVOS
Propor modelagem matemática para verificar funcionamento de um equipamento de refrigeração do tipo fancoil observando assim o seu funcionamento por meio de sua modulação automática da vazão de ar, a modelagem matemática será adotada uma temperatura de conforto térmico, sendo uma temperatura do ar da sala comercial selecionada para 23°C e temperatura externa 35ºC, desconsiderando alguns fatores externos no processo de modelagem.
4. METODOLOGIA
4.1 Ar Condicionado
Segundo CREDER(2004), na maioria dos casos existe dois tipos de sistema de ar condicionado, o primeiro deles é por evaporação direta ou de expansão, neste caso quando o condicionador de ar recebe diretamente o ar por meio de dutos, o segundo é por meio de expansão direta ou seja quando este equipamento utiliza água, na figura abaixo podemos observar o funcionamento de um sistema de ar condicionado com expansão direta utilizando água para refrigeração.
Imagem 1 - Exemplo de condicionador de ar com expansão direta
Fonte: (CREDER, 2004).
4.1.1 Condicionador de ar tipo Fan coil
O condicionador de ar do tipo Fan Coil é um equipamento de refrigeração industrial normalmente utilizado em ambientes que necessitam de uma renovação de ar contínua e sua utilização se dá para ambientes fechados como escritórios, teatros, salas comerciais entre outros. Este equipamento tem como sistemas de controle dois sistemas, um é controle de água que é utilizado em sua serpentina e outro é o controle de vazão de ar utilizando um motor elétrico.
Na imagem 2 abaixo, é exemplificado o funcionamento de um condicionador de ar do tipo Fan Coil, este equipamento tem como objetivo principal fornecer ar condicionado por meio da alimentação de dutos de insuflamento e retorno de ar conforme estipulado em cada necessidade de projetado.
Imagem 2 - Exemplo de funcionamento de condicionador de ar tipo fan coil
Fonte: (WEGER ,2020)
5. DESENVOLVIMENTO
Este projeto foi desenvolvido a modelagem matemática de sistema térmico de refrigeração, sendo utilizado como modelo para este experimento o condicionador de ar do tipo fan coil.
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Para o desenvolvimento da modelagem matemática foi utilizado lei da termodinâmica e teorema de Laplace, abaixo seguem desenvolvimento da modelagem matemática e exemplificação de variáveis utilizadas:
Ps = Potência de saída produzida pelo Fancoil.
Pe= Potência no evaporador alimentado por uma central de água gelada, ou potência de vazão de ar do equipamento.
KT = Constante de perda do evaporador em relação a temperatura externa.
T = Temperatura da sala.
Te = Temperatura externa.
Q = Variação de calor.
C= Capacidade térmica do evaporador.
t = tempo.
A modelagem matemática se aproxima do conceito de funcionamento de um
condicionador de ar tipo fan coil, segue abaixo o equacionamento:
Aplicando a lei da termodinâmica:
Aplicando Transformada de Laplace:
Aplicando a Função de transferência:
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Aplicando o diagrama de bloco na função de transferência:
Imagem 3 - Diagrama de bloco
Fonte: (Autor,2020) 6. RESULTADOS
Após realizar uma análise em diversos ambientes climatizados, observei que a temperatura de conforto térmico é variável de acordo com a temperatura externa do ar, se a temperatura estiver acima de 30ºC os ocupantes na sua maioria preferem uma temperatura entre 24ºC e 26ºC, e se temperatura externa do ar estiver abaixo de 30ºC os ocupantes preferem uma temperatura entre 21ºC e 23ºC, sendo assim nesta simulação adotaremos os seguintes limites para operação do sistema de climatização do tipo fancoil: 35ºC para temperatura externa e 23ºC para temperatura ambiente.
Imagem 4 - Diagrama de bloco com os limites estabelecidos no projeto
Fonte: (Autor,2020)
Substituindo os valores a serem simulados na função de transferência obtive a seguinte simulação no simulador matemático Wolfram Alpha, realizando a simulação com a função de transferência obtida na imagem 4, abaixo segue os gráficos da simulação efetuada nas imagens 5 à 8.
Imagem 5 - Gráfico diagrama de Bode - Magnitude e Fase X frequência
Fonte: (Autor - Wolfram Alpha, 2020)
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Imagem 6 - Gráfico curva de resposta
Fonte: (Autor - Wolfram Alpha, 2020)
Imagem 7 - Gráfico critério de estabilidade Nyquist
Fonte: (Autor - Wolfram Alpha, 2020)
Imagem 8 - Gráfico diagrama de Nichols
Fonte: (Autor - Wolfram Alpha, 2020)
Podemos observar nas imagens 5 à 8 a representação do comportamento da função de transferência de um sistema térmico de refrigeração, podemos observar que é uma função de primeira ordem com um pólo, sendo que seu comportamento para atuar como sistema térmico atua de forma em rampa conforme a capacidade do refrigerador, também foi observado que este sistema não tem oscilação em sua curva característica pois não houve simulação em troca de equipamento.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conclui-que o estudo sobre modelagem matemática simples de um sistema térmico de refrigeração do tipo fan coil, sem considerar deturpações externas ou falhas de equipamentos apresentou um comportamento de modo uniforme e estabilizado de declínio de temperatura de um ambiente com temperatura selecionada para 23ºC, tal comportamento foi estabilizado em forma de rampa, efetuando assim um declínio de temperatura de forma estável e segura para os ocupantes do ambiente. Tal modelo matemático pode ser aplicado para condicionadores de ar condicionado seja para temperatura de conforto ou para
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