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UNIVERSIDADE LÚRIO
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LICENCIATURA EM ENGENHARIA MECÂNICA
Máquinas Térmicas e de Fluídos
Cálculo da carga térmica para a sala 3C – FECN – UniLúrio
3º Ano
Pemba, Novembro de 2019
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Calcuo da carga termica de uma sala de aulas da universidade lurio, Manuais, Projetos, Pesquisas de Máquinas
Que seja um exemplar para os estudantes seguirem em seus trabalhos de carga termica assim como em actuacoes no trabalho pratico
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2019
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UNIVERSIDADE LÚRIO
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LICENCIATURA EM ENGENHARIA MECÂNICA
Máquinas Térmicas e de Fluídos
Cálculo da carga térmica para a sala 3C – FECN – UniLúrio 3º Ano
Pemba, Novembro de 2019
UNIVERSIDADE LÚRIO
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
LICENCIATURA EM ENGENHARIA MECÂNICA
Máquinas Térmicas e de Fluídos
Cálculo da carga térmica para a sala 3C – FECN – UniLúrio 3º Ano
Nome do Estudante :
Cândido Carlos Uanicela
Docente : Nelson Inoque Envelope, Lic.
Pemba, Novembro de 2019
Trabalho de investigação e de carácter avaliativo, a ser entregue na disciplina de Máquinas Térmicas e de Fluídos , no curso de Licenciatura em Engenharia Mecânica, 3º ano.
Índice
- Introdução
- Objectivos
- Sistemas de ar condicionado
- Ventilador
- Grupo Refrigerador
- Termostato...................................................................................................................................
- Classificação do ar condicionado
- Ductos..........................................................................................................................................
- Escolha de um dispositivo de ar condicionado
- Descrição da sala...........................................................................................................................
- Cálculo da carga térmica da sala...................................................................................................
- Calculo do ganho de calor pela radiação do sol nas janelas......................................................
- Transmissão de calor pelas paredes da sala
- Transmissão de calor pelo chão
- Transmissão de calor pelo revestimento
- Transmissão de calor pelos vidros das janelas do pólo sul
- Transmissão de calor pelos aros das janelas
- Cálculo do fluxo de calor pela porta
- Fluxo total de calor pela estrutura
- Infiltrações.................................................................................................................................
- Ventilação exterior
- Ocupantes
- Iluminação
- Equipamentos eléctricos
- Tabela de valores calculados
- Conclusão
- Bibliografias consultadas
Introdução Os dispositivos de ar condicionado, são dispositivos eléctricos e térmicos que tem como principal função, manter um determinado espaço numa determinada temperatura de conforto. Eles podem ser refrigeradores ou bombas de calor com o objectivo de remover calor quente ou remover calor frio respectivamente. As bombas de calor são mais usadas em locais cuja temperatura ambiente é muito baixa em relação à temperatura de conforto, a título de exemplo, Portugal, Rússia, Alemanha e mais. Já os refrigeradores (vulgos ar condicionado em Moçambique), são usados em países em que a temperatura ambiente é maior do que a temperatura de conforto como por exemplo o nosso país. Neste documento, tratar-se-á a respeito dos refrigeradores.
Tanto as bombas de calor assim como os refrigeradores, possuem uma determinada capacidade para actuar em um determinado espaço, ou seja, cada dispositivo contém seus limites de operação. Sendo assim, para a montagem de um dispositivo de ar condicionado em um determinado espaço, é sempre necessário antes fazer um dimensionamento, apurando todos os factores que podem afectar a actividade normal do dispositivo, sendo eles, a incidência dos raios solares pelas janelas, a transferência de calor pela parede do edifício, a presença de equipamentos que geram calor no edifício, o numero de pessoas a ocupar o local, a taxa de infiltração do ar para o edifício e mais. Tal dimensionamento é tecnicamente conhecido como cálculo da carga térmica do edifício.
A carga térmica, como o nome diz, é a quantidade de calor que o dispositivo de ar condicionado deve remover para deixar o edifício nas condições de conforto térmico.
Neste trabalho, far-se-á o cálculo de carga térmica para a sala 3C (sala 3 do bloco C) da Universidade Lúrio (UniLúrio), Faculdade de Engenharia e Ciências Naturais (FECN) pólo de Pemba.
1. Sistemas de ar condicionado Basicamente, a exemplo do que ocorre com um refrigerador (geladeira), a finalidade do ar condicionado é extrair o calor de uma fonte quente, transferindo-o para uma fonte fria. Isto é possível através do sistema evaporador e condensador. No aparelho de ar condicionado existe um filtro, em forma de lençol, no qual passa o ar antes de ir para o evaporador, o que permite eliminar humidade e impurezas.
Sua constituição não difere bastante com o sistema dos congeladores, apesar de estes serem mais grandes e complexos. São eles:
1.1. Ventilador
Em um aparelho de ar condicionado existe o ventilador axial eléctrico, para forçar a passagem do ar no condensador permitindo que o calor do local climatizado liberte-se para o ar ambiente. Comummente, utiliza-se um motor com eixo duplo, sendo numa extremidade, colocado um ventilador do evaporador e noutra o ventilador do condensador.
1.2.Grupo refrigerador Neste grupo consta o compressor, o evaporador, a válvula de laminagem, o fluido de trabalho (refrigerante) e o condensador. Estes elementos são o núcleo do sistema de ar condicionado, operando segundo vários ciclos, sendo que o ciclo padrão é o de compressão mecânica como ilustrado na figura abaixo.
Figura 1: Esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica (Fonte: Aula 5, p.1)
Figura 2: Representação esquemática do sistema de ar condicionado (Fonte: Pereira, 2010)
Funcionamento: O fluido de trabalho no estado gasoso, a baixa pressão e temperatura entra no compressor onde é comprimido aumentando a sua pressão e temperatura (D - A). Tendo tomado grandezas altas, este é impulsionado para o condensador onde ocorre a troca térmica, transformando-o em líquido saturado (1-2). O líquido saturado passa pelo filtro para separa-lo dos possíveis contaminantes e de seguida passa pela válvula de laminagem (tubo capilar) onde a temperatura e a pressão caiem drasticamente de vido ao processo de estrangulamento que o liquido sofre ao entrar na válvula de laminagem (3-4). De seguida, o liquido entra no evaporador onde é evaporizado (estado gasoso) para o meio que se pretende climatizar (5-6) e de seguida acumula-se no acumulador (6-7). Devido a pressão exercida pelo compressor, o gás contido no acumulador é succionado, recomeçando desta forma o ciclo (7-8).
1.3. Termostato
Tem por finalidade manter o ambiente à temperatura desejada, interrompendo somente o funcionamento do compressor, deixando o ventilador funcionando como circulador e renovador do ar. O bulbo do termostato deve ser colocado em contato com o ar ambiente que é aspirado pelo ventilador. Este componente consta nos sistemas actuais de ar condicionado.
A água proveniente da fonte de alimentação (1) passa pela bóia e enche o reservatório inferior da torre. Uma bomba (2) aspira a água fria do reservatório e a envia ao condensador do ar condicionado. A água retira calor do condensador a agua (3) e fica quente, sendo então dirigida para a parte superior da torre, indo cair na bandeja perfurada (4), atravessa as camadas de madeira, que amortecem sua queda, retornando ao reservatório (6). O ventilador eléctrico (5) provê a subtracção do calor da água.
1.5.Ductos
Os equipamentos de condicionamento de ar, principalmente os de maior capacidade, usam sistema de ductos para distribuição do ar refrigerado. Constam essencialmente de uma peça de alumínio em formato rectangular ou redondo, com isolamento térmico interior, em placas de isopor. Conectando-se uma peça à outra, sucessivamente, teremos uma rede de ductos. A saída do ducto no espaço refrigerado é feita através de grelhas ou difusores. As grelhas podem ser do tipo insuflação ou retorno.
Os sistemas de ar condicionado podem ser aplicados nas residências, nas indústrias, nas instituições, nos veículos, nas aeronaves, nos comboios, nos navios e mais.
2. Escolha de um dispositivo de ar condicionado Conforme o tipo de ambiente que vamos refrigerar, haverá diferentes capacidades de aparelhos.
Para dimensionamento adequado do ar condicionado temos que levar em conta várias questões:
Qual é o tamanho da sala ou escritório? Que tipo de revestimento a sala tem? Qual é a característica climática, geográfica e meteorológica do local onde a sala está instalada? Será que faz muito calor? Qual deve ser a temperatura media ambiente? Qual é a altura do pé direito? (distância do solo ao teto), que tipo de parede a sala tem? Quantas portas e janelas a casa tem? De que material foram feitas? E de que tamanho? As janelas recebem sol directo? Da manhã ou da tarde? Tem cortina nas janelas? Os vidros ficam à sombra? Quantas pessoas trabalham no recinto? O que se encontram fazendo? Que idade elas tem? Os aparelhos eléctricos trabalham em regime contínuo; qual é a potencia de cada um?
Para facilitar a escolha do ar ideal, estabeleceu-se um roteiro de cálculo, denominado cálculo da carga térmica.
Neste trabalho, far-se-á o cálculo da carga térmica para uma sala de aulas 3C descrita a seguir.
3. Descrição da sala
A sala 3C, é uma sala que pertence ao bloco C das salas da Universidade Lúrio, Faculdade de Engenharia e Ciências Naturais pólo de Pemba. Esta sala, tem as seguintes dimensões internas: 8,69x7,625x2,81 metros.
Esta sala está totalmente exposta ao sol, ou seja, não existe nenhuma sombra sobre ela. As paredes da sala foram feitas com blocos de cimento, de 15 mm de espessura e estão internamente pintadas à cor branca.
A sala conta com um revestimento de chapas de zinco, com dois isolantes térmicos sendo um de poliestireno que esta em contacto directo com as chapas e um de gesso que serve como tecto. As chapas de zinco estão externamente pintadas à coe azul e entre as chapas e o tecto, existe um vácuo no qual ocorre a transmissão de calor por convecção. As chapas de zinco, o revestimento de zinco e o gesso possuem as seguintes espessuras: 0,5 mm, 20,7 mm e 30 mm respectivamente. O revestimento da sala é de tipo V invertido, pelo que escoa agua nos dois lados
O chão da sala foi feito por mosaico com uma espessura de 7 mm de cor cinzenta, unidas por meio de cimento fino.
A sala conta com 6 janelas de tamanho diferentes sendo que 3 delas estão posicionadas para o pólo sul e os outros 3 para o pólo norte. Em termos de medidas, apenas uma janela do pólo sul tem um tamanho exclusivo (1,303x0.905) metros e as restantes do mesmo pólo têm o mesmo tamanho (2,01x1,303 metros). Todas as janelas do pólo norte têm o mesmo amanho (2,005x1, metros). Os aros das janelas foram feitas de alumínio extrudado de cor castanha com uma largura de 7,5 cm e os vidros são transparentes. A forma de abertura das janelas é de tipo linear e possuem borrachas vedantes de modo a impedir a infiltração do ar externo assim como altos sons.
4.2.Transmissão de calor pela estrutura
4.2.1. Transmissão de calor pelas paredes da sala
Da lei de Fourrier, sabe se que ̇ = . Sabendo que as paredes são de blocos de concreto
com 3 furos rectangulares, a sua condutividade térmica é de 0,77 / . (Incropeta; et all, 2008), não se esquecendo que as paredes são singulares (i.e. mono paredes). Juntando o bloco com o rebuço, já que são do mesmo material, temos a partir da medição directa uma espessura de 21 cm. As áreas correspondentes as paredes foram calculadas nas paginas correspondentes aos anexos
Uma vez que temos quatro paredes correspondentes aos quatro pólos geográficos, teremos que calcular para as quatro paredes. Já que a sala 3C está entre duas salas que são; sala 2C e o escritório do núcleo dos estudantes que tecnicamente estão climatizadas (perspectiva do futuro), as temperaturas externa e interna para estas paredes são iguais, logo não há troca térmica, tornando desnecessário o cálculo do fluxo de calor para estas paredes (paredes do este e oeste).
Considerando a temperatura de conforto como 18oC e a temperatura ambiente de 30 oC. Ainda em analise, nota-se que todas as paredes estão espostas ao ar, logo ocorre a transferrencia de calor por convecção no exterior assim como no interior. Considerado o coeficiente de transmissão de calor do externo de 20 W/m^2 K e interno de 16 W/m^2 K, teremos a sequente equação do fluxo de calor pelas paredes:
̇ = 1 ∆ ℎ +
+^
19,4 ∗ 20 +^
0,77 ∗ 19,4 +^
+^
13,9 ∗ 20 +^
0,77 ∗ 13,9 +^
4.2.2. Transmissão de calor pelo chão O chão é formado de paredes duplas sendo uma de argamassa de cimento ( = 0,72 / = 0,03 ) e uma de azulejos acústicos ( = 0,058 / . = 0,007 ). Aplicando o conceito de associação de paredes sólidas em serie da transferência de calor, teremos:
̇ ã = (^) ∆ + + çã
= (^) 0,72 ∗ 66,26120,03 ∴ = 6,288. 10 ^ /
= 0,058 ∗ 66,26120,007 ∴ = 1,821. 10 ^ /
çã = (^) 66,2612 ∗ 16^1 ∴ çã = 9,423. 10 ^ /
̇ ã = . , 4.2.3. Transmissão de calor pelo revestimento O revestimento da sala é composto por uma chapa de zinco, uma isolante, um vácuo e um teto de gesso. Com isso, a transmissão de calor começa com a radiação do sol até a convecção no interior da casa. A taxa de calor pela radiação de sol nas chapas fica:
̇ çã = ∗ ∗ ∗ ∆
Considerando um corpo negro, a emissividade anula-se e a constante de Stefan-Boltzmann é de 5,67.10-8^ W/m^2 K^4 , na área de 68,5969 m^2. Acredita-se que a temperatura externa do sol chega até
5778 K e a temperatura do ambiente é de 303 K. Com isso a taxa de transmissão de calor por
radiação será:
̇ çã = 1 ∗ 5,67. 10 ^ ∗ 68,5969 ∗ (5778 ^ − 303 ^ ) ∴ ̇ çã = . ,
Após o cálculo da radiação do sol pela chapa, é hora de calcular o fluxo de calor por convecção e condução presentes no revestimento, para tal, é útil a equação da página a seguir:
4.2.7. Fluxo total de calor pela estrutura ̇ = + ̇ + ̇ ã + ̇ + ̇ + ̇ + ̇
̇ = 242,10108 W + 1.039,60 + 3.536,65 + 876,38 + 206,63 + 191,72
̇ = . , 4.3.Infiltrações Como foi dito na descrição da sala, esta está preparada para receber um ar condicionado, contendo borrachas nas janelas para impedir a infiltração de ar do exterior para dentro. A única abertura existente, encontra-se na parte interior da porta, tal como mostrado nos anexos. Na altura da infiltração a velocidade do vento chega até 1,1 m/s conforme medido a partir do software Zuphrus Meter. Com essa velocidade, pode se calcular a vazão de entrada do ar usando a fórmula: ̇ = ⃗ ∗ , onde (^) = 9,05. 10 ^
̇ = 1,1 ∗ 9,05. 10 ^ ^ ∴ ̇ = , . ^ ^ /
Com isso, os calores sensível e latente provocados pela infiltração são:
̇ í ( ) = 1,2 ∗ ̇ ∗ ∴ ̇ (^) í ( ) = ,
̇ ( ) = 2970 ∗ ̇ ∗ (0,88 − 0,24)^ ∴ ̇ ( ) = ,
4.4.Ventilação exterior Sabendo que se trata de uma sala de aulas (equivalente a uma sala de conferencia) com número de ocupantes de 31 sendo que ninguém fuma, o fluxo recomendado fica 0,0024*31 = 0,074 m^3 /s. Com isso, os calores sensível e latente provocados pela ventilação exterior são:
̇ í ( ) = 1,2 ∗ ̇ ∗ ∴ ̇ í ( ) = ,
̇ ( ) = 2970 ∗ ̇ ∗ (0,88 − 0,24)^ ∴ ̇ (^) ( ) = ,
4.5.Ocupantes A sala estará ocupada por 31 pessoas com idade mínima de 24 anos que se encontraram na sua maioria sentados, tratando se de uma sala de aulas. De acordo com a tabela 3.16 do guião, tem se: I (^) CS = 67,28 e ICL = 34,8, com um metabolismo de 102 w.
Com isso, os calores sensível e latente provocados pelos ocupantes são:
̇ í ( ) = 31 ∗ ∴ ̇ í ( ) = 2.085,68
̇ ( ) = 31 ∗ ∴ ̇ ( ) = 1.078,8 ∴ ̇ = . ,
Observação: Esta quantidade de calor pode ser reduzida, uma vez que os ocupantes estão todos juntos apenas das 07 horas até as 16 h por cada dia excluindo sábados e domingos.
4.6.Iluminação
A sala conta com 9 luminárias com 4 lâmpadas tubulares fluorescentes de 18 W cada. Com isso a potencia total das lâmpadas fica 9418 = 648 W. Por serem fluorescentes, não geram tanto calor quando bem instaladas, sendo assim a quantidade de calor dissipada pelas lâmpadas fica:
̇ í ( ) = 648 ∗ 1.05 ∴ ̇ (^) í ( ) = ,
4.7.Equipamentos eléctricos Nome do equipamento Quantidade Potência de accionamento [W] Total [W] Projector de imagem 1 252 252 Computador pessoal 31 9,25 286, Maquina calcular 31 0,0001 0, Celular 31 2,96 91, Total de potência para os equipamentos eléctricos [W] (Calor sensível) 635, Tabela 1: Possíveis equipamentos eléctricos da sala (Fonte: O autor)
Conclusão Findo o dimensionamento, com as características da sala, admite-se um dispositivo de ar condicionado com uma potência de 37.457,5 BTU. Já que este está na categoria dos dispositivos de ar condicionado industriais, recomenda-se a compra de dois dispositivos com uma capacidade de 18.000 BTU, podendo ser este de marca SUMSUNG com R-134ª como fluido de trabalho e um condensador que opera a ar. Em termos de montagem, os evaporadores deveram ser montados na parede norte devido a disponibilidade de espaço. Os condensadores também devem estar na parede do pólo norte na máxima altura possível.
Bibliografias consultadas
Boles, M.A & Çengel, Y.A. (2011). Termodinâmica. (7ª.ed). McGRAW Editora.
Incropeta, P.P., at al. (2008). Fundamentos da transferência de calor e de massa. Rio de Janeiro: LTC.
Gajar, A.J & Çengel, Y.A. (2011). Transferência de calor e massa. (4ª.ed). New York: McGRAW Editora.
Pereira, D. (2010). Ar condicionado. Escola técnica estadual republica.