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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Nilton de Paula da Silva
ANÁLISE E REDIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA
DE CLIMATIZAÇÃO EM UMA INDÚSTRIA DE
EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS
Taubaté - SP
2007
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1
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Nilton de Paula da Silva
ANÁLISE E REDIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA
DE CLIMATIZAÇÃO EM UMA INDÚSTRIA DE
EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS
Dissertação apresentada ao
Departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade de Taubaté como parte
dos requisitos para obtenção do Título de
Mestre pelo curso de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Energia e Gestão
Ambiental na Indústria.
Orientador: Prof. Dr. José Rui Camargo
Taubaté - SP
2007
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NILTON DE PAULA DA SILVA
ANÁLISE E REDIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO EM
UMA INDÚSTRIA DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS
Dissertação apresentada ao
Departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade de Taubaté como parte
dos requisitos para obtenção do Título de
Mestre pelo curso de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Energia e Gestão
Ambiental na Indústria.
Data: 18/12/2007
Resultado: APROVADO
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. José Rui Camargo UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Assinatura ___________________
Prof. Dr. Carlos Alberto Chaves UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Assinatura ___________________
Prof. Dr. Carlos Daniel Ebinuma UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
Assinatura ___________________
3
Dedico este trabalho aos meus pais
Benedito e Iolanda.
4
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. José Rui Camargo pela transmissão dos seus conhecimentos
acadêmicos e de sua orientação para realização deste trabalho;
Ao coordenador do curso Prof. Dr. Giorgio Eugênio Oscare Giacáglia pela
implantação do curso de Mestrado em Engenharia Mecânica;
Aos professores do curso, Carlos Alberto Chaves, Ederaldo Godoy Junior,
Fernando Silva de Araújo Porto, José Rui Camargo, Luis Octávio Mattos dos Reis e
Sebastião Cardoso pela transmissão dos conhecimentos e pelos incentivos nas
pesquisas acadêmicas;
Aos colegas de turma pelo companheirismo no desenvolvimento dos
trabalhos acadêmicos;
OBRIGADO.
5
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo de análise e redimensionamento de um sistema
de climatização em uma indústria de equipamentos eletrônicos para atender às
necessidades técnicas inerentes ao tipo de produção, levando-se em consideração
o conforto térmico dos trabalhadores envolvidos no processo. Para o
desenvolvimento deste trabalho, inicialmente levantou-se as necessidades atuais da
área do processo produtivo, as normas que balizam o conforto térmico dos
trabalhadores no processo da área em questão e as características técnicas do
sistema de climatização atual, que é composto por equipamentos de ar-
condicionado do tipo self-contained com condensação a água, torre de
resfriamento, moto-bomba e demais componentes da instalação. Após a análise
inicial do sistema de climatização, foi levantado o histórico dos parâmetros físicos
do ambiente em estudo (umidade e temperatura), os quais confirmaram a
necessidade do redimensionamento de equipamentos complementares de ar-
condicionado, calculou-se a capacidade frigorígena necessária e especificou-se os
equipamentos de ar-condicionado necessários para redimensionar as instalações
da área e atender as necessidades do processo produtivo.
Palavras-Chave: Redimensionamento, Climatização, Indústria de equipamentos
eletrônicos.
6
ABSTRACT
This research presents a study for analysis and adjusts of the air-conditioning
system of an electronic equipment industry to the technical necessities of this type of
production, taking into consideration the thermal comfort of the workers involved in
the process. For the development of this research, the current necessities of the
productive process area were initially verified as well as the rules that delimit the
thermal comfort of the workers in the related process area and the technical
characteristics of the air-conditioning system, which is made up of air-conditioning
equipment of the type self-contained with water condensation, tower of cooling,
motion bombs and other component parts of the installation. After the initial analysis
of the air-conditioning system, the historical of the physical parameters of the
environment in study was raised (humidity and temperature) which confirmed the
necessity of dimensioning complementary air-conditioning equipment again. The
necessary refrigerating capacity was calculated and the necessary air-conditioning
equipments were specified in order to adjust the installations of the area to the
needs of the productive process.
Key words: Adjust, Air-conditioning, Electronic equipment industry.
7
LISTA DE TABELAS
CAPÍTULO 4
Tabela 4.1 – Informações técnicas dos equipamentos condicionadores de ar self-
contained 1,2 e 3...................................................................................................... 44
Tabela 4.2 – Informações técnicas dos equipamentos condicionadores de ar self-
contained 4,5 e 6...................................................................................................... 44
Tabela 4.3 – Informações técnicas da torre de arrefecimento................................. 45
Tabela 4.4 – Informações técnicas da bomba de água de condensação................ 45
Tabela 4.5 – Carga térmica da zona 1..................................................................... 53
Tabela 4.6 – Carga térmica da zona 2..................................................................... 54
Tabela 4.7– Carga térmica da zona 3...................................................................... 55
Tabela 4.8 – Carga térmica total da área em estudo............................................... 56
8
LISTA DE FIGURAS
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 – Carta psicrométrica.............................................................................. 16
Figura 2.2 – Esquema explicativo de desumidificador de ar por refrigeração......
...
20
Figura 2.3 – Esquema explicativo do funcionamento de desumidificador de ar tipo
adsortivo (Colméia).................................................................................................. 21
Figura 2.4 – Esquema explicativo de um umidificador de ar por vaporização......... 22
Figura 2.5 – Bico de nebulização mostrando o formato do jato com as gotas
microscópicas em formato de aerosol...................................................................... 22
Figura 2.6 – Troca de calor por meio da condução.................................................. 24
Figura 2.7 – Inércia Térmica - Curvas de variação de temperatura......................... 26
Figura 2.8 – Self-contained e seus componentes básicos....................................... 28
Figura 2.9 – Ciclo de refrigeração de sistema por compressão de vapor................ 28
Figura 2.10 – Diagrama de pressão e entalpia........................................................ 29
Figura 2.11 - Circuito frigorígeno por compressão de vapor e condensação à
água.......................................................................................................................... 30
Figura 2.12 – Self-contained com condensação a água e os componentes básicos
do circuito frigorígeno............................................................
...............................
...... 31
Figura 2.13 – Câmara de compressão de um compressor do tipo scroll................. 32
Figura 2.14 – Split-system, unidade evaporadora e unidade condensadora ...........35
Figura 2.15 - Fluxo do ar em um sistema de refrigeração do tipo expansão
direta......................................................................................................................... 35
Figura 2.16 - Fluxo do fluido intermediário e o fluxo do ar em um sistema de
refrigeração por expansão indireta
........................................................................................
36
Figura 2.17 - Chiller - circuito frigorígeno e fan-coil - trocador de calor .................. 36
9
CAPÍTULO 4
Figura 4.1 – Esquema explicativo do sistema de ar-condicionado da área de
produção de equipamentos eletrônicos................................................................... 42
Figura 4.2 – Planta da área climatizada mostrando o sistema de dutos e a
localização das casas de máquinas..........................................................................43
Figura 4.3 – Registrador de temperatura e umidade................................................47
Figura 4.4 – Registros da temperatura máxima e mínima no período de um ano
(registrador 1)........................................................................................................... 48
Figura 4.5 – Registros da umidade relativa máxima e mínima no período de um ano
(registrador 1)........................................................................................................... 48
Figura 4.6 – Registros da temperatura máxima e mínima no período de um ano
(registrador 2) .......................................................................................................... 49
Figura 4.7 – Registros da umidade relativa máxima e mínima no período de um ano
(registrador 2)........................................................................................................... 49
Figura 4.8 – Registros da temperatura máxima e mínima no período de um ano
(registrador 3)........................................................................................................... 50
Figura 4.9 – Registros da umidade relativa máxima e mínima no período de um ano
(registrador 3)........................................................................................................... 50
Figura 4.10 – Planta da área climatizada, indicando a divisão por
zonas........................................................................................................................ 52
10
SUMÁRIO
RESUMO................................................................................................................... 5
ABSTRACT................................................................................................................ 6
LISTA DE TABELAS................................................................................................. 7
LISTA DE FIGURAS................................................................................................. 8
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO.................................................................................11
1.1 – O Ar Condicionado em Ambientes Industriais..................... 11
1.2 – Definição do Problema............................................................ 12
1.3 – Objetivo.............................................................................
...
..... 12
1.4 – Justificativa......................................................................
...
..... 13
1.5 – Delimitação............................................................................... 13
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................14
2.1 – Condicionamento de Ar e Psicrometria................................. 14
2.2 – Conforto Térmico..................................................................... 16
2.3 – Calor Sensível, Calor Latente e Carga Térmica....
..........
......... 18
2.4 – Transferência de Calor e Inércia Térmica
.
. .
.........................
23
2.5 – Tipos de Sistemas de Refrigeração...........
.
...
..
.
...
..
.......
............ 26
2.6 – Tipos de Sistemas de Climatização.................
.....
................. 34
CAPÍTULO 3 – METODOLOGIA..............................................................................38
CAPÍTULO 4 – DESENVOLVIMENTO DO PROJETO............................................40
4.1 – Sistema em Operação Atualmente......................................... 40
4.2 – Condições de Projeto do Sistema em Operação.................. 45
4.3 – Necessidades Atuais do Processo Produtivo....................... 46
4.4 – Dimensionamento do Sistema Proposto............................... 51
CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES....................................................57
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO..................................................................................59
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 60
APÊNDICE............................................................................................................... 62
ANEXO......................................................................................................................64
11
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
1.1 – O Ar Condicionado em Ambientes Industriais
Para garantir a confiabilidade de determinados processos industriais, há a
necessidade de se manter parâmetros de climatização, temperatura, umidade e
fluxo de ar da área produtiva dentro de limites pré-estabelecidos pela engenharia de
produto.
Sempre que possível, deve-se compatibilizar as necessidades dos processos
de produção com o conforto térmico das pessoas envolvidas nestes processos, ou
seja, compatibilizar o condicionamento de ar industrial com o condicionamento de ar
para conforto, pois se sabe que o conforto térmico garante o bem-estar e está
diretamente ligado ao maior desempenho e à produtividade no ambiente de
trabalho.
As condições de climatização para o processo industrial são definidas pela
engenharia de produto, a qual estabelece limites e faixas de controle para garantir a
qualidade do produto, e para as condições de conforto térmico tem-se como
balizamento dos parâmetros a norma NBR 6401 (1980) da ABNT, Associação
Brasileira de Normas Técnicas e a norma regulamentadora número 17 (1990) de
Segurança e Medicina do Trabalho.
A necessidade de se manter níveis corretos de umidade relativa no ambiente
em estudo é tão importante quanto a necessidade de se manter os níveis de
temperatura, pois os níveis de umidade muito baixos podem causar alergias
respiratórias, mal-estar e irritações nos olhos e na garganta, e níveis muito altos
causam problemas nos processos de produção, como exemplo pode-se citar a
oxidação.
12
1.2 – Definição do Problema
O problema apresentado refere-se à não conformidade constatada no
processo produtivo de uma indústria de equipamentos eletrônicos, setor de
montagem de gabinetes e testes operacionais.
A não conformidade encontrada no processo produtivo foi o alto valor de
umidade relativa e temperatura da área na qual ocorre o processo, se comparada
com os padrões estabelecidos pela engenharia de produto da empresa. Esta não
conformidade pode causar oxidação das partes metálicas e danos aos
componentes eletrônicos.
O problema de alto valor de umidade relativa e temperatura é proveniente da
baixa capacidade dos equipamentos de ar condicionado do sistema de climatização
da área na qual ocorre o processo produtivo, já que a edificação não apresenta
problemas de infiltração de ar externo e outras perdas.
1.3 – Objetivo
Analisar e redimensionar o sistema de climatização de um ambiente de
processo produtivo em uma indústria de equipamentos eletrônicos para solucionar o
problema de umidade e temperatura; parâmetros estes que se encontram fora dos
limites de controle estabelecidos pela engenharia de produto da empresa,
indicando-se a necessidade de acréscimo de equipamentos de condicionamento de
ar, instalações e controles.
O problema de umidade e temperatura foi constatado em auditoria de
processo quando da análise dos registros gráficos destes parâmetros e comparação
com os estabelecidos pela engenharia de produto da empresa.
13
1.4 – Justificativa
Este trabalho foi desenvolvido em função da necessidade da empresa em
adequar os equipamentos, instalações e controles para atender as solicitações do
processo de uma área de produção em uma indústria de equipamentos eletrônicos.
Propõe-se apresentar solução para o problema de umidade e temperatura da
área em estudo por meio da adequação do sistema de climatização, incorporando,
se necessário, novos equipamentos de condicionamento de ar ao sistema.
1.5 – Delimitação
As limitações deste trabalho referem-se aos equipamentos de
condicionamento de ar e área de produção de equipamentos eletrônicos, setor de
montagem de gabinetes e testes operacionais. Os dados para elaboração e
desenvolvimento do trabalho de dimensionamentos foram coletados na área de
produção e nas casas de máquinas, local onde se encontram os equipamentos de
ar condicionado.
14
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 – Condicionamento de Ar e Psicrometria
Conforme Yamane e Saito (1986), o condicionamento de ar efetua
essencialmente o tratamento de ar pelo controle simultâneo de temperatura e
umidade e concomitantemente controla a pureza e o fluxo de ar. O autor divide em
duas áreas o condicionamento de ar:
1) Condicionamento de ar para conforto - é utilizado para satisfazer as
necessidades de conforto em ambientes ocupados por seres humanos.
2) Condicionamento de ar industrial - é utilizado para condicionamento de ar
no interior de um espaço e imposto pelas necessidades de um processo ou de um
produto.
Para os estudos da aplicação do condicionamento do ar em ambientes, quer
seja para conforto ou para processo industrial, faz-se necessária a abordagem da
análise das características do ar atmosférico. De acordo com Costa (1974), o ar
atmosférico contém sempre uma quantidade de vapor de água. Quando a
atmosfera está limpa, não se pode observá-lo, pois se encontra em estado de
superaquecimento; quando o vapor de água se torna saturado, forma neblina,
nuvens, etc.
O estudo das propriedades e transformações físicas ocorridas no ar
atmosférico, principalmente no processo de condicionamento e climatização de
ambientes, denomina-se psicrometria.
A climatização de um ambiente envolve estudos psicrométricos e análises de
parâmetros. Na atualidade, a climatização de ambientes não significa um luxo ou
15
somente conforto humano; ela é de grande importância para melhorias e garantias
de processos industriais e aumento de produtividade.
[...] o ar condicionado apresenta importantes aplicações nos
processos industriais.
Muitas destas aplicações dizem respeito ao aquecimento e
resfriamento do ar, e envolvem refrigeração em alguns períodos, ou
alternativamente, umidificação e desumidificação [...] (TORREIRA,
1983, p.13).
Para manter os parâmetros do ar da área climatizada dentro das faixas de
controle permitidas para os processos industriais e seus operadores, são
necessárias condições controladas.
Por condições controladas de ar, entende-se o ar condicionado, ou
seja, o emprego de refrigeração para retirar o calor e a umidade do
ar de determinado local. Ou inversamente, para adicionar calor ou
umidade ao local, incorporando diversos graus de filtragem do ar. A
constante principalmente é, entretanto, o emprego da refrigeração
para controle da temperatura e da umidade (TORREIRA, 1983,
p.4).
No decorrer dos anos com as inovações tecnológicas ocorridas, os estudos
foram evoluindo para o controle mais preciso das condições psicrométricas
ambientais, porém a base física dos fenômenos, que é o controle da temperatura e
a umidade, permanece até nossos dias.
Para o estudo da psicrometria, pode-se utilizar um gráfico denominado de
carta psicrométrica, conforme mostra a Figura 2.1, que é um conjunto de curvas
gráficas que representam as propriedades do ar; dentre elas estão umidade relativa,
umidade absoluta, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido e
entalpia. Os conceitos destas propriedades do ar podem ser encontrados no
apêndice deste trabalho.
16
Figura 2.1 – Carta psicrométrica.
Fonte: SALVIANO (2006).
2.2 – Conforto Térmico
Uma das considerações que devem ser feitas quando do projeto de um
sistema de condicionamento de ar é a do conforto térmico para as pessoas, pois,
além da necessidade de atender às legislações, um condicionamento de ar
adequado possibilita satisfação, redução de perdas e aumento de produtividade.
Da Silva (2004) cita que o calor gerado pelo metabolismo do corpo humano
deve ser liberado para o meio externo com o intuito de manter a temperatura
corporal constante e que o corpo pode ceder calor para o meio através da
evaporação do suor, bem como receber ou ceder calor para o ambiente pelos
mecanismos de respiração, radiação e convecção, dependendo da temperatura do
ar.
17
Não há determinado parâmetro psicrométrico de um ambiente que atenda às
necessidades de todos os seus ocupantes, principalmente onde a população é
composta por pessoas do sexo masculino e feminino e de várias faixas etárias.
Com o objetivo de atender ao maior número de ocupantes de determinados
ambientes, foram criadas normas que estabelecem parâmetros para projetos do
sistema de condicionamento de ar.
No Brasil, os parâmetros para conforto térmico humano são balizados pela
norma regulamentadora NR-17 (1990) e pela norma NBR 6401 (1980). Em casos
omissos, devem ser consultadas as normas internacionais e, em casos não
contemplados por estas, as normas estrangeiras, sendo uma das mais usadas a
ASHRAE Standard 55 (1992) que especifica as condições de temperatura ambiente
para conforto das pessoas nas edificações.
Em relação à NR-17 (1990), no item 17.5 – Condições ambientais de
trabalho e no sub-item 17.5.1, há as recomendações que as condições ambientais
de trabalho devem estar adequadas às características psicofisiológicas dos
trabalhadores e à natureza do trabalho a ser executado.
O item 17.5.2 da NR-17 (1990) recomenda valores para os principais
parâmetros de climatização ambiental, conforme se pode analisar no texto a seguir
da referida NR 17:
Nos locais de trabalho onde são executadas atividades que exijam
solicitação intelectual e atenção constante, tais como: salas de
controle, laboratórios, escritórios, salas de desenvolvimento ou
análise de projetos, dentre outros, são recomendadas as seguintes
condições de conforto:
a) níveis de ruído de acordo com o estabelecido na NBR 10152,
norma brasileira registrada no INMETRO;
b) índice de temperatura efetiva entre 20 e 23
o
C;
c) velocidade do ar não superior a 0,75 m/s;
d) umidade relativa do ar não inferior a 40% (quarenta por cento).
18
2.3 – Calor Sensível, Calor Latente e Carga Térmica
Aplicando o conceito de calor sensível e calor latente ao estudo de ar-
condicionado, pode-se dizer que calor sensível pode ser definido como o calor que
aumenta a temperatura do ar sem alterar o conteúdo de umidade do mesmo; já o
calor latente refere-se às modificações do conteúdo de umidade do mesmo, sem
alteração da temperatura.
Normalmente a carga térmica de um ambiente é composta pelos dois tipos
de calor. De acordo com Creder (2004), carga térmica é a quantidade de calor
sensível e latente que deve ser retirada ou colocada no ambiente a fim de obter as
condições de conforto. Essa carga térmica pode ser introduzida no recinto através
de condução, insolação, dutos, pessoas, equipamentos, infiltração de ar externo e
outros.
As cargas térmicas sobre uma edificação podem ser internas ou externas. A
seguir, será feito um breve relato sobre elas.
a) Cargas externas são tipicamente provenientes da insolação, através de
janelas, paredes externas e admissão ou infiltrações de ar externo.
Fatores que influem sobre as cargas externas:
-radiação solar através de janelas;
-ganhos por condução através de paredes externas e telhados;
-ar de ventilação;
-infiltração.
b) Cargas internas são geradas no interior da edificação e normalmente
provém de pessoas, equipamentos, iluminação, recintos adjacentes com
temperaturas mais elevadas.
19
Fatores que influem sobre as cargas internas:
-ganhos por condução através de vidros – paredes internas –forros e pisos;
-número de pessoas;
-potência elétrica de equipamento dissipada sob a forma de calor;
-potência elétrica de iluminação dissipada sob a forma de calor;
-perdas em dutos de ar em função de vazamentos e/ou isolação.
Entre os equipamentos que compõem as cargas internas, pode-se considerar
as máquinas de produção, os computadores, máquinas de café e aparelhos eletro-
eletrônicos diversos.
Em relação às pessoas que ocupam um recinto, estas são responsáveis pela
geração de calor sensível e calor latente, e este calor gerado também é conhecido
como calor de metabolismo, e a carga térmica gerada é conhecida como carga de
ocupação. O calor liberado por pessoas pode ser obtido na Tabela 12 da NBR 6401
(1980).
Como já visto no item 2.3, a carga térmica de um ambiente normalmente é
composta de calor sensível e calor latente. Para a climatização destes ambientes
que abrigam determinados processos produtivos e pessoas, há necessidade de se
manter a temperatura e a umidade do ar dentro de limites pré-estabelecidos de
controle; limites estes que são atingidos e mantidos por instalações e equipamentos
de resfriamento e/ou aquecimento de ar e os de remoção e/ou de inserção de
umidade.
A seguir, tem-se uma abordagem sobre os equipamentos e sistemas que
proporcionam a remoção da umidade do ar, ou desumidificação, e outros que
promovem a inserção da umidade do ar, ou a umidificação.
20
Conforme citado por Macintyre (1990), a remoção da água contida no ar
pode ser realizada de maneira simples, por equipamentos desumidificadores. A
seguir dois tipos destes equipamentos:
a) Desumidificador por refrigeração, este equipamento opera pelo princípio
de circulação forçada de ar ambiente através de uma serpentina resfriada por um
fluido refrigerante de um circuito frigorígeno. A serpentina, estando com a
temperatura abaixo da temperatura de orvalho, retém a umidade por condensação,
e a água condensada é direcionada para um reservatório. Através deste processo,
o ar vai se desumidificando. Este tipo de desumidificador, além de retirar a umidade
do ar, também resfria o mesmo. Para ambientes em que há a necessidade de uma
temperatura maior, deve-se utilizar um aquecedor baseado em calor sensível.
A Figura 2.2 mostra o esquema explicativo do funcionamento do
desumidificador de ar por refrigeração.
Figura 2.2 – Esquema explicativo de desumidificador de ar por refrigeração.
21
b) Desumidificador por adsorção, o do tipo HoneyCombe ou tipo Colméia,
consiste de um cilindro com construção semelhante a uma colméia, com canais no
sentido axial. O cilindro gira continuamente entre dois fluxos cruzados de ar, um que
vai para o ambiente e um que retorna do ambiente. O ar que retorna do ambiente
passa pelos canais do cilindro e perde a umidade para o material dessecante que
facilmente atrai e retém moléculas de vapor de água.
A parte do cilindro que recebeu a umidade oriunda do ar do ambiente deve
ser reativada para o início do novo ciclo, a reativação se faz por meio de
aquecimento com conseqüente secagem dos canais.
Devido ao ciclo contínuo de operação, os canais constantemente são
reativados, quando um canal úmido entra no processo de reativação, um canal seco
entra no processo para retirada de umidade do ar.
Na Figura 2.3 pode-se observar o processo de funcionamento de um
desumidificador tipo Colméia.
Figura 2.3 – Esquema explicativo do funcionamento de desumidificador de ar
tipo Colméia (Adsortivo).
Fonte: MUNTERS (2007).
22
No caso da umidificação, ou seja, inserção de umidade no ambiente, os
sistemas mais comuns utilizados são estes: o da geração de vapor saturado
lançado no ambiente junto com o ar e o do resfriamento evaporativo que consiste
em nebulizar o ambiente com gotas microscópicas de água em forma de aerosol
que evaporam totalmente sem molhar nenhum corpo, trocando de temperatura com
o ar.
A Figura 2.4 ilustra o sistema de umidificação por vapor saturado. Esse vapor
pode ser fornecido por uma fonte externa ou por resistência elétrica imersa em
reservatório de água instalado dentro do próprio sistema.
Figura 2.4 – Esquema explicativo de um umidificador de ar por vaporização.
Fonte: UNICAMP/FEM (2007).
A Figura 2.5 mostra um bico de nebulização, que é um dos principais
componentes do sistema de resfriamento evaporativo.
Figura 2.5 – Bico de nebulização mostrando o formato do jato com as gotas
microscópicas em formato de aerosol.
Fonte: PRIME TECH (2007).
23
2.4 – Transferência de Calor e Inércia Térmica
Quando se fala em climatização e refrigeração, é essencial tratar do assunto
de transferência de calor e das formas em que ela ocorre.
Como cita Incropera (1992), a transferência de calor (ou calor) é o trânsito de
energia provocado por uma diferença de temperatura, ou seja, sempre que houver
uma diferença de temperatura em um meio (ou ambiente), ou entre vários meios (ou
ambientes), obrigatoriamente haverá transferência de calor, sempre tendendo a
equalizar a energia entre os meios.
A seguir têm-se as formas em que as transferências de calor ocorrem:
a) Condução
De acordo com Incropera (1992), ao mencionar palavra condução, deve-se
evocar os conceitos físicos de atividade atômica e atividade molecular, porque a
transferência de calor por condução são processos que ocorrem neste nível.
O fluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e
moléculas de uma substância e a subseqüente transferência de energia cinética.
Como exemplo da transferência de calor por condução, são ilustradas, na
Figura 2.6, dois corpos a diferentes temperaturas, separados por uma barreira
(isolante térmico), a qual é removida subitamente em um dado momento. Em “A”
representa-se partículas mais energéticas (temperatura mais alta), em “B”
representa-se partículas menos energéticas, e em “C” já houve a troca de energia
entre os corpos através da condução, ou seja, a temperatura é comum.
24
Figura 2.6 – Troca de calor por meio da condução.
Esta transferência de energia do lado quente para o lado frio é chamada de
transferência de calor por condução.
Associada à transferência de calor por condução está a medida da
condutividade térmica. A condutividade térmica é uma propriedade do material.
Materiais diferentes transferem calor por condução com diferentes velocidades. Os
materiais com condutividade térmica maior vão transferir maiores quantidades de
calor por unidade de tempo, como exemplo de materiais com boa condutividade
térmica, tem-se o cobre, o ferro, o alumínio e outros, e como exemplo dos que
possuem baixa condutividade térmica, pode-se citar o concreto, a lã de rocha e a
fibra de vidro.
b) Convecção
É o fluxo de calor devido a um movimento macroscópico, carregando partes
da substância de uma região quente para uma região fria. Conforme Incropera
(1992), este mecanismo possui dois aspectos, um pelo movimento molecular
aleatório (difusão) e o outro pelo movimento de massa, ou macroscópico do fluido.
Suponha que se tenha uma região de ar que se aquece; a medida que ocorre
o aquecimento, as moléculas de ar se espalham, fazendo com que esta região se
torne menos densa que o ambiente em torno, o ar não aquecido. Sendo menos
25
denso, ele se elevará - este movimento de ar quente para uma região mais fria é
chamado de transferência de calor por convecção.
c) Radiação
A terceira forma de transferência de calor é por radiação. De acordo com
Incropera (1992), a energia do campo de radiação é transportada pelas ondas
eletromagnéticas, que frequentemente é chamada de luz, visível ou não. Esta é a
maneira, por exemplo, de o Sol transferir energia para a Terra através do espaço
vazio (a transferência pela radiação ocorre com maior eficiência no vácuo). Tal
transferência não pode ocorrer por convecção ou condução, pois as duas formas
implicam um movimento de material através do espaço de um lugar para outro.
Frequentemente, a energia de calor pode ser utilizada para gerar luz, tal
como aquela proveniente de uma fogueira. A luz, sendo uma onda, carrega energia
e pode mover-se de um lugar para outro, sem a necessidade de um meio material.
Ela pode estar na forma de luz visível quando se vê, mas também pode estar na
forma de infravermelho de um comprimento de onda maior, que é observada
somente com detectores especiais de infravermelho.
Inércia Térmica
A inércia térmica é outro fator que deve ser levado em consideração quando
da análise de um sistema de ar-condicionado. A inércia térmica de um edifício é a
sua capacidade de atrasar as variações de temperatura no seu interior devido à sua
capacidade de acumular calor nos seus elementos de construção. A velocidade de
absorção e a quantidade de calor absorvida determinam a inércia térmica de um
edifício.
26
A inércia térmica influi sobre o comportamento do edifício tanto no Inverno ao
determinar a capacidade de utilização dos ganhos solares, como no Verão ao
influenciar a capacidade do edifício em absorver os picos de temperatura.
A Figura 2.7 representa exemplo de curvas de variação de temperatura
externa e interna de um recinto.
Figura 2.7 – Inércia Térmica - Curvas de variação de temperaturas externa e
interna de um recinto.
Fonte: FROTA (2000).
2.5 – Tipos de Sistemas de Refrigeração
A seguir, têm-se uma classificação dos tipos de sistemas de refrigeração, e a
abordagem do funcionamento do tipo por compressão de vapor.
Os sistemas de refrigeração comercialmente disponíveis podem ser
classificados em:
1-compressão de vapor;
2-adsorção;
3-resfriamento evaporativo;
4-resfriamento evaporativo-adsortivo;
5-termelétrico;
6-absorção.
27
No estudo de caso em referência, avaliar-se-á o sistema por compressão de
vapor do tipo expansão direta, em função dos equipamentos existentes na área de
desenvolvimento do trabalho serem deste tipo, do reaproveitamento dos
equipamentos existentes e também em função das características do prédio, as
quais permitem a instalação de novas torres de resfriamento se necessário.
Como os equipamentos existentes na instalação atual serão reaproveitados e
são do tipo expansão direta modelo self-contained, a seguir tem-se um breve relato
sobre o equipamento self-contained.
Os equipamentos de climatização do tipo self-contained são aqueles
condicionadores de ar compactos, de baixo ruído quando em funcionamento e que
possuem em um único conjunto os componentes necessários para efetuar o
tratamento do ar, tais como: compressão, filtragem, refrigeração, umidificação,
aquecimento, desumidificação, movimentação do ar e os sistemas de força,
comando, controle e segurança.
O equipamento self-contained pode ser instalado diretamente no ambiente
ou utilizando-se de dutos. Na instalação atual em operação os equipamentos de ar-
condicionado estão instalados em casas de máquinas e a distribuição de ar e o
retorno é feito por dutos isolados, instalados sobre o forro.
O sistema de condensação do equipamento de ar-condicionado self-
contained pode ser à ar ou à água, no caso em estudo é do tipo condensação à
água, utilizando-se de torre de resfriamento para retirar o calor absorvido do meio
climatizado.
28
Na Figura 2.8, há um desenho básico no qual são mostrados os principais
componentes de um equipamento do tipo self-contained.
Na Figura 2.9, pode-se identificar os componentes de um circuito frigorígeno
por compressão de vapor e relacionar os itens com os componentes do self-
contained da Figura 2.8.
Figura 2.9 – Ciclo de refrigeração por compressão de vapor.
Figura 2.8 – Self-contained mostrando seus componentes básicos.
Fonte: TRANE (2007).
29
Para avaliação dos fenômenos físicos que ocorrem no circuito frigorígeno do
ciclo de refrigeração por compressão de vapor pode-se utilizar o diagrama de
pressão e entalpia, o qual é ilustrado na Figura 2.10.
Figura 2.10 – Diagrama de pressão e entalpia.
Fonte: SALVIANO (2006).
A seguir, têm-se as fases de compressão, condensação, expansão e
evaporação dos processos termodinâmicos em que passa o fluido refrigerante em
um ciclo de operação no sistema por compressão de vapor, fases ilustradas no
diagrama de pressão e entalpia, Figura 2.10.
Fase 1-2: Compressão
Nesta fase, o fluido refrigerante, vindo do evaporador, entra no compressor e
é comprimido até atingir a pressão de condensação. Nesta fase recebeu energia do
compressor e está superaquecido com temperatura maior que a temperatura de
condensação.
30
Fase 2-3: Condensação
Nesta fase, o fluido refrigerante perde calor para o meio de resfriamento, à
pressão constante. Nesta etapa, o fluido refrigerante é resfriado até a temperatura
de condensação e em seguida condensa até se tornar líquido saturado.
Fase 3-4: Expansão
Nesta fase, o fluido refrigerante passa por um dispositivo denominado de
dispositivo de expansão; após passagem pelo dispositivo, o fluido refrigerante tem
sua pressão baixada até a pressão de vaporização.
Fase 4-1: Evaporação
Nesta fase, o fluido ganha calor do meio através do evaporador e atinge o
estado de vapor saturado seco; no final desta fase, inicia-se novamente o ciclo de
refrigeração.
Como os equipamentos de climatização que são utilizados na área em
estudo são do tipo self-contained com condensação a água, será feita uma
abordagem mais detalhada sobre o mesmo.
A Figura 2.11 deve ser usada como referência para análise do equipamento
do circuito frigorígeno aplicado neste trabalho, que é o equipamento self-contained
com condensação a água.
Figura 2.11 - Ciclo frigorígeno por compressão de vapor com condensação a
água.
31
A Figura 2.12 mostra a foto de um equipamento do tipo self-contained -
condensação a água - de fabricação TRANE (2007), abrangendo o quadro elétrico e
os componentes do circuito frigorígeno.
Figura 2.12 – Self-contained.
Fonte: TRANE (2007).
A seguir, são abordados mais detalhes sobre os componentes do circuito
frigorígeno de um sistema de compressão de vapor.
Compressor:
Um dos principais componentes do circuito frigorígeno é o compressor, que
pode ser classificado em alternativo e rotativo. Os rotativos, por sua vez, podem ser
de palheta, parafuso e do tipo scroll; cada um tem sua aplicação específica. Nos
circuitos frigorígenos dos equipamentos da área em estudo, estão instalados os do
tipo scroll.
A tecnologia dos compressores scroll já é conhecida há algum tempo, porém,
somente na década de 70, após aperfeiçoamento do sistema, este tipo de
32
compressor passou a ser produzido em escala industrial. Conforme Da Silva (2004),
as principais características deste sistema são: ausência de válvulas de sucção e
descarga, baixo ruído e vibração, leveza e alta eficiência.
Na Figura 2.13, é possível ver detalhes da câmara de compressão dos
compressores scroll.
Figura 2.13 – Câmara de compressão de compressor scroll.
Fonte: GOMES (2006).
Condensador e Torre de Resfriamento:
Outro componente também de fundamental importância em circuitos
frigorígenos é o trocador de calor. No caso em que é utilizado para absorver calor
do ambiente climatizado, é denominado de evaporador e, no caso de ceder calor
para o meio externo, é denominado de condensador. Para transferir o calor
absorvido do ambiente climatizado para o exterior, utiliza-se um condensador, que
pode ser remoto a ar ou trabalhar em conjunto com uma torre de resfriamento.
33
Os condensadores a ar podem realizar a troca de calor por convecção
natural ou convecção forçada; normalmente a troca por convecção natural é
utilizada na linha residencial, como exemplo tem-se os refrigeradores domésticos, já
a convecção forçada é utilizada em sistemas comerciais e industriais, como
exemplo pode-se citar os chillers e as câmaras frigoríficas.
Os condensadores a água, de acordo com Silva (2004), são classificados
em:
-Carcaça e tubo (Shell & Tube);
-Tubo e tubo;
-Placas.
Neste tipo de condensador, o calor que o fluido refrigerante retirou do
evaporador mais o calor injetado pelo compressor é transferido para a água, e desta
para o ambiente externo.
Ainda conforme cita Silva (2004), independente do tipo do condensador a
água, este deve estar ligado a uma torre de resfriamento, que fará o resfriamento da
água que aqueceu no condensador por ter retirado calor do fluido refrigerante.
De acordo com Stoecker (1994), o efeito de resfriamento da água na torre é
o resultado do borrifamento de água em uma corrente de ar ambiente. A seguir será
feito uma breve abordagem sobre as torres de resfriamento, que são equipamentos
normalmente utilizados para o resfriamento de água industrial, refrigeração e
trocadores de calor. A água aquecida entra pela parte superior da torre e desce
através de dispositivos (bandejas perfuradas, colméias de material plástico ou
metálico denominados de enchimento) da torre, em contracorrente com um fluxo de
ar originado por um ventilador. Neste contato da água com o ar, ocorre a
evaporação de parte da água ocasionando seu resfriamento. Para se especificar
34
uma torre de resfriamento, deve-se levar em consideração a vazão, a temperatura
da água a ser resfriada, as dimensões e os tipos de enchimento.
Dispositivo de Expansão:
Conforme Silva (2004), os dispositivos de expansão são basicamente
redutores de pressão e controladores de fluxo do fluido refrigerante liquefeito no
condensador que vai para o evaporador. Este controle é de fundamental
importância para o correto funcionamento do circuito frigorígeno. Os dispositivos de
expansão mais utilizados nos equipamentos de climatização e refrigeração
comercial e industrial são as válvulas termostáticas (VET), que podem ser
termomecânicas ou eletrônicas.
2.6 – Tipos de Sistemas de Climatização
Os sistemas de climatização com circuito frigorígeno são classificados em
expansão direta e indireta, dependendo de qual fluido é utilizado no trocador de
calor, se é o próprio fluido refrigerante, ou se é utilizado um fluido intermediário.
A seguir tem-se uma breve análise dos dois tipos e far-se-á uma maior
abordagem no sistema que é aplicado no estudo deste caso, que é o sistema de
climatização por expansão direta.
1 - Expansão direta
De acordo com Creder (2004), este sistema também é conhecido como
evaporação direta e é caracterizado quando o condicionador recebe diretamente ou
através de dutos a carga térmica do ambiente a ser climatizado.
35
Como exemplo deste tipo de sistema, pode-se citar: condicionador de ar de
parede, self-contained, split-system e multi-split.
Na Figura 2.12, pode-se observar a foto de um condicionador de ar do tipo
self-contained e, na figura 2.14, um do tipo split-system mostrando sua unidade
evaporadora e a condensadora.
Figura 2.14 – Split-system - unidade evaporadora e unidade condensadora.
Fonte: SPRINGER CARRIER (2007).
Para melhor análise do funcionamento, pode-se utilizar a Figura 2.15, que
representa um sistema de refrigeração por expansão direta. Neste sistema o ar é
conduzido para o ambiente climatizado e retorna deste para o sistema frigorígeno,
ou seja, a troca de calor ocorre diretamente com o fluido frigorígeno, sem fluido
intermediário.
Figura 2.15 - Fluxo do ar em um sistema de refrigeração por expansão direta.
unidade condensadora
unidade evaporadora
36
2 - Expansão indireta
De acordo com Creder (2004), este sistema é caracterizado pelo
condicionador utilizar um fluido intermediário (normalmente água ou salmoura) para
retirar a carga térmica que é transmitida pelo ar quente proveniente do ambiente.
Como exemplo, tem-se o sistema de ar condicionado com um circuito
frigorígeno composto por um chiller, o qual vai fornecer água gelada para os fan-
coils que são os trocadores de calor cuja função principal é retirar a carga térmica
do fluxo de ar que retorna do ambiente a ser climatizado.
A Figura 2.16 mostra um esquema explicativo de sistema de climatização por
expansão indireta.
Figura 2.16 - Fluxo do fluido intermediário e do fluxo do ar em um sistema de
refrigeração por expansão indireta.
A Figura 2.17 mostra exemplos de equipamentos utilizados para sistema de
climatização por expansão indireta.
Figura 2.17 - Chiller – circuito frigorígeno, Fan-coil – trocador de calor.
Fonte: YORK (2007).
fan-coil
chiller
37
O chiller é o equipamento que fornece o fluido intermediário, que, na maioria
dos casos de refrigeração para conforto, é a água; o fan-coil é o equipamento que
retira o calor do ambiente através da troca de calor entre o ar do ambiente e a água
gelada fornecida pelo chiller.
38
CAPÍTULO 3 – METODOLOGIA
Para apresentar solução do problema de temperatura e umidade relativa fora
dos limites de controle estabelecidos pela engenharia de produto da empresa,
avaliou-se as necessidades do ambiente no qual ocorre o processo, cujos valores
exigidos para a área estão na faixa de 20 a 24
o
C para a temperatura, e na faixa de
40 a 50 % para a umidade relativa, valores estes documentados em diretiva técnica
da empresa. Além da temperatura e umidade relativa, o outro parâmetro que
influencia na climatização do ambiente é a velocidade do fluxo de ar, que no caso
deste estudo, a engenharia de produto da empresa não especifica a velocidade
nem a vazão; desta forma, adotam-se os recomendados pelas normas vigentes
(NBR 6401, 1980).
Com base nas considerações acima citadas, analisou-se a situação da
climatização da área em estudo utilizando-se de registros de cartas gráficas, as
quais fornecem informações de temperatura e umidade; Considerou-se o histórico
do período de 12 meses contemplando as quatro estações do ano. Confirmou-se a
existência do problema, que é o não atendimento das necessidades da área do
processo produtivo.
Fez-se revisão bibliográfica das obras referente a sistemas de climatização
para conforto térmico humano e para ambientes industriais objetivando-se conhecer
literaturas e desenvolvimentos mais recentes para solução do problema, não se
desprezando os conceitos que deram origem aos sistemas atuais, mas sim fazendo
a junção dos mesmos.
Após revisão bibliográfica da literatura para avaliação de técnicas para
solução do problema, levantaram-se as características técnicas do sistema de
climatização em operação e as cargas térmicas da área de produção.
39
Fez-se o dimensionamento dos novos equipamentos de condicionamento de
ar para atender às necessidades do ambiente do processo produtivo. Para o
dimensionamento utilizou-se de planilha Excel, com as referências obtidas na
norma NBR 6401 (1980) e roteiro baseado nos livros Creder (2004) e Yamane e
Saito (1986).
40
CAPÍTULO 4 – DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
4.1 – Sistema em Operação Atualmente
O sistema de climatização em operação na área em estudo possui
equipamentos de ar-condicionado do tipo expansão direta contemplando no total,
seis unidades de condicionadores de ar do tipo self-contained, distribuídos dois a
dois em três casas de máquinas.
Os equipamentos de ar-condicionado self-contained utilizados na instalação
possuem circuitos independentes de refrigeração.
A seguir, tem-se uma breve descrição dos componentes e atuação dos
mesmos nos equipamentos de ar condicionado self-contained:
- A compressão é obtida por compressores do tipo scroll;
- A válvula de expansão que tem por função controlar o fluxo do fluido para o
evaporador é do tipo termostática sem controle eletrônico;
- O evaporador é constituído de serpentina de tubos de cobre com aletas de
alumínio;
- O ventilador do evaporador é do tipo centrífugo com dupla aspiração;
- Os condensadores são do tipo shell and tube;
- A torre de resfriamento é utilizada para remoção do calor da água
proveniente do sistema;
- Os bancos de resistências elétricas são utilizados para os processos de
aquecimento e umidificação do ambiente, estes bancos de resistências estão
localizados entre a unidade evaporadora e os ventiladores. O banco de resistência
de umidificação tem por função a geração de vapor para incorporar umidade no ar a
ser lançado no ambiente e o banco de resistência de aquecimento tem por função
acrescentar calor sensível no ar a ser lançado no ambiente para adequar a
temperatura às necessidades do processo de produção. O sistema atual de controle
dos bancos de resistência é do tipo on-off.
41
O fluxo de ar-condicionado gerado pelos equipamentos self-contained é
conduzido ao ambiente por meio de dutos isolados construídos em chapa
galvanizada, e o retorno desse fluxo efetuado pelo mesmo tipo de duto.
O controle dos equipamentos de ar-condicionado é feito por componentes
instalados dentro de painéis elétricos, dentre estes componentes pode-se citar os
elementos de partida, controle e proteção, sendo que o controle é feito por
controladores lógicos programáveis individuais.
Além de controlar os parâmetros das máquinas condicionadoras de ar, os
controladores lógicos programáveis também controlam e monitoram todo o sistema,
recebendo informações dos sensores (pressão, vazão, temperatura, umidade e
outras) distribuídos nas instalações e nas áreas com ar-condicionado.
Os controladores lógicos programáveis são digitais do tipo DX de fabricação
da empresa Johnson Controls. Os controladores monitoram os pontos de entradas
analógicas de temperatura e umidade ambiente e os pontos de entrada digital do
fluxo de ar nos ventiladores, gerando saídas para os comandos dos compressores,
resistências de aquecimento e comando do umidificador.
O controle do sistema segue uma lógica denominada de lógica de controle,
que se baseia primeiro no controle da temperatura ambiente e em seguida no
controle da umidade relativa, sendo que a primeira etapa a ser executada para
início da operação do sistema é a recirculação da água da torre de resfriamento
pelos trocadores de calor (condensadores), e a segunda etapa é a colocação em
funcionamento do ventilador de insuflamento. Após receber a informação dos
sensores, o controlador lógico programável autoriza a execução dos loops de
controle de temperatura e umidade, conforme se segue:
-Controle de temperatura: após confirmação do fluxo de ar no ventilador de
insuflamento, a temperatura é monitorada, caso se encontre acima do estabelecido
no set-point, são seqüenciados os dois estágios de resfriamento (colocação em
operação dos compressores), para mantê-la no valor desejado. Caso contrário, as
42
baterias de resistências elétricas de aquecimento do ar insuflado são seqüenciadas,
aquecendo o ambiente.
-Controle da umidade relativa do ambiente: caso a umidade relativa esteja
acima do valor desejado, os compressores são mantidos ligados, ocasionando
maior condensação da água que se encontra em suspensão no ar que atravessa a
serpentina do evaporador, levando-se em consideração o ponto de orvalho. Em
seguida, as baterias de resistências elétricas são seqüenciadas para reaquecer o
ar, mantendo a temperatura dentro dos limites pré-estabelecidos.
Com o objetivo de indicar e registrar as condições pré-estabelecidas há
equipamentos de registro e alarme de temperatura na área climatizada.
Na Figura 4.1, tem-se um esquema explicativo em corte da área em que está
instalado o sistema de ar-condicionado, na qual se pode ver a posição dos dutos e
casa de máquinas.
Figura 4.1 – Esquema explicativo da área de produção de equipamentos
eletrônicos.
A área em estudo está situada dentro de um prédio e suas paredes internas
localizadas a Sudoeste (So), Sudeste (Se) e Nordeste (Ne) estabelecem vizinhança
43
com áreas climatizadas à temperatura de 25
o
C e a parede externa localizada a
Noroeste (No) está coberta por uma marquise, não recebendo raios solares.
Na Figura 4.2 tem-se a planta da área, com a distribuição da rede de dutos
de insuflamento e retorno, localização das casas de máquinas, da torre de
resfriamento, dos sensores e registradores.
Figura 4.2 – Planta da área climatizada.
Processo 3
T / U
T / U
T / U
CM 17
Processo 2
Processo 1
CM 49
S1-R3
S3-R3
S4-R3
S2-R3
R3
S1-R1
S2-R1
S3-R1
S4-R1
S2-R2
S4-R2
S3-R2
R2
S1-R2
R1
LEGENDA:
CM 49 = Casa de máquinas 49
R1 = Registrador 1
R2 = Registrador 2
R3 = Registrador 3
S1-R1 = Sensor 1 do registrador 1
S2-R1 = Sensor 2 do registrador 1
S3-R1 = Sensor 3 do registrador 1
S4-R1 = Sensor 4 do registrador 1
S1-R2 = Sensor 1 do registrador 2
S2-R2 = Sensor 2 do registrador 2
S3-R2 = Sensor 3 do registrador 2
S4-R2 = Sensor 4 do registrador 2
S1-R3 = Sensor 1 do registrador 3
S2-R3 = Sensor 2 do registrador 3
S3-R3 = Sensor 3 do registrador 3
S4-R3 = Sensor 4 do registrador 3
CM 17 = Casa de máquinas 17
Torre
de
resfriamento
5.10
T / U = Temperatura / Umidade
44
Nas Tabelas 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4, tem-se as informações técnicas dos
principais equipamentos que compõem o sistema de climatização em operação na
área em estudo:
Tabela 4.1 – Informações técnicas dos equipamentos condicionadores de ar
self-contained 1,2 e 3.
Equipamento: Self-contained 1 Self-contained 2 Self-contained 3
Localização: CM 17 CM 17 CM 17
Fabricante: TRANE TRANE TRANE
Modelo: SAVE 250-2T SAVE 200-2T SAVE 400-2T
Vazão de ar: 18.000 m
3
/h 16.200 m
3
/h 23.400 m
3
/h
Vazão de água: 14 m
3
/h 13 m
3
/h 31 m
3
/h
Dimensão do evaporador: 1880x850x2000 mm 1880x850x2000 mm 2470x980x2000 mm
Capacidade: 25 TR (75.600 kcal/h.) 20 TR (60.480 kcal/h.) 40 TR (120.960 kcal/h.)
Resistências de umidificação: 1 pç de 5 kW 1 pç de 5 kW 2 pç de 6 kW
Resistências de aquecimento: 9 pçs de 3 kW 9 pçs de 3 kW 9 pçs de 6 kW
Tabela 4.2 – Informações técnicas dos equipamentos condicionadores de ar
self-containde 4,5 e 6.
Equipamento: Self-contained 4 Self-contained 5 Self-contained 6
Localização: CM 17 CM 49 CM 49
Fabricante: TRANE TRANE TRANE
Modelo: SAVE 400-2T SAVE 350-2T SAVE 250-2T
Vazão de ar: 23.400 m
3
/h 23.400 m
3
/h 18.000 m
3
/h
Vazão de água: 31 m
3
/h 19 m
3
/h 14 m
3
/h
Dimensão do evaporador: 2470x980x2000 mm 2470x980x2000 mm 1880x850x2000 mm
Capacidade: 40 TR (120.960 kcal/h.) 35 TR (105.850 kcal/h) 25 TR (75.600 kcal/h.)
Resistências de umidificação: 2 pç de 5 kW 1 pç de 3 kW 1 pç de 3 kW
Resistências de aquecimento: 9 pçs de 6 kW 9 pçs de 3,3 kW 9 pçs de 3,3 kW
45
Tabela 4.3 – Informações técnicas da torre de resfriamento
Equipamento: Torre de Resfriamento
Localização: CM 47
Fabricante: Alfatherm
Modelo: ASP – 710 / 3 / 10 / 10 –BGA
Vazão de água: 140 m
3
/h
Dimensões: 2765x2765x4510 mm
Capacidade: 140 m
3
/ h – 35 / 29,5 / 24
o
C
Tabela 4.4 – Informações técnicas da bomba de água de condensação
Equipamento: Bomba de Água
Localização: CM 47
Fabricante: KSB
Modelo: Meganorm Bloc
Vazão de água: 163 m
3
/h
Altura Manométrica: 29 mCA
Motor Elétrico: 25 CV
4.2 – Condições de Projeto do Sistema em Operação
Quando da implantação do sistema de ar-condicionado na área em estudo,
para o dimensionamento do sistema, o projetista tomou como base os seguintes
parâmetros:
Condições externas:
- Temperatura de bulbo seco no Verão: 33
o
C
- Temperatura de bulbo úmido no Verão: 24
o
C
- Temperatura de bulbo seco no Inverno: 10
o
C
- Temperatura de bulbo úmido no Inverno: 7
o
C
- Umidade relativa no inverno: 70 %
46
Condições internas:
- Temperatura de bulbo seco: 22
± 2
o
C
- Umidade relativa: 55 ± 5%
Não se tem histórico da quantidade de pessoas, quantidade e tipos de
equipamentos e máquinas de quando foi feito o projeto da instalação atual.
4.3 – Necessidades Atuais do Processo Produtivo
Devido à aplicação de novas tecnologias na área eletrônica, os processos de
produção tornaram-se mais sensíveis, necessitando de ambiente com a mesma
temperatura, porém com umidade relativa situada em patamares inferiores. Os
parâmetros de temperatura e umidade adequados para o ambiente do processo
produtivo foram estabelecidos por diretivas técnicas estabelecidas pela engenharia
de produto da empresa.
A seguir citam-se os parâmetros definidos pela engenharia de produto:
Condições internas:
- Temperatura de Bulbo seco: 22 ± 2
o
C
- Umidade Relativa: 45 ± 5%
Estes parâmetros não são regidos por normas oficiais, são estabelecidos
pela empresa em função do produto desenvolvido.
Além da necessidade δε valores menores de umidade requeridos no
ambiente climatizado, o processo produtivo sofreu alterações em relação ao
ambiente de trabalho, os profissionais da área de engenharia e outros relacionados
à produção também passaram a ocupar o mesmo ambiente do processo produtivo,
aumentando-se consideravelmente a carga de calor latente do local.
47
A temperatura e a umidade relativa da área em estudo são registradas em
cartas gráficas continuamente.
Na Figura 4.3 tem-se o registrador gráfico que é utilizado atualmente para
registrar os valores de temperatura e umidade da área em estudo.
Figura 4.3 – Registrador de temperatura e umidade.
Nas Figuras 4.4, 4.6 e 4.8, tem-se o histórico da temperatura das áreas em
estudo no período de 12 meses, de setembro de 2006 a agosto de 2007 e, nas
Figuras 4.5, 4.7 e 4.9, tem-se o histórico da umidade relativa para o mesmo
período.
Os valores de temperatura e umidade relativa utilizados para se gerar os
gráficos foram obtidos por levantamentos dos maiores e menores níveis diários pelo
motivo de que a área do processo produtivo não pode estar fora dos limites
estabelecidos em nenhum período, motivo pelo qual não se avaliou pela média.
48
Figura 4.4 – Registros da temperatura máxima e mínima no período de um
ano (registrador 1).
Figura 4.5 – Registros da umidade relativa máxima e mínima no período de
um ano (registrador 1).
49
Figura 4.6 – Registros da temperatura máxima e mínima no período de um
ano (registrador 2).
Figura 4.7 – Registros da umidade relativa máxima e mínima no período de
um ano (registrador 2).
50
Figura 4.8 – Registros da temperatura máxima e mínima no período de um
ano (registrador 3).
Figura 4.9 – Registros da umidade relativa máxima e mínima no período de
um ano (registrador 3).
Analisando-se os gráficos, pode-se observar que há valores fora da faixa
estabelecida para os limites superior e inferior de controle, tanto para temperatura
51
quanto para a umidade relativa. Embora seja constatado o problema durante todos
os períodos do ano, a situação se agrava mais no período mais quente e úmido.
Em função dos parâmetros medidos e registrados se apresentarem fora dos
limites estabelecidos, é recomendado que seja feito um redimensionamento do
sistema de ar-condicionado para os novos requisitos e solicitações de carga
térmica.
Este redimensionamento deve atender às normas vigentes que regem a área
técnica e as de segurança e medicina do trabalho
4.4 – Dimensionamento do Sistema Proposto
O objetivo dos sistemas de ar-condicionado é o de estabelecer condições
adequadas de temperatura, umidade relativa e fluxo de ar para determinado
ambiente, no caso em estudo, para conforto humano e processo produtivo. Para
atingir tais condições, os equipamentos devem ser dimensionados e controlados
adequadamente. O dimensionamento deve ser determinado pelo cálculo da carga
térmica, e o seu controle definido pelas condições a serem mantidas durante as
pequenas alterações destas cargas térmicas e das alterações das condições do
ambiente externo.
Atualmente o cálculo de carga térmica é feito por programas de
computadores alimentados com informações da área a ser climatizada. A maior
parte destes programas é desenvolvida por fabricantes de equipamentos de ar-
condicionado e sistemas de climatização e são de uso exclusivo das empresas,
porém há empresas especializadas em software, uma dela é a Multiplus que
mantém no mercado o Software para Projeto de Ar-condicionado denominado de
PRO-Ar Condicionado.
52
O cálculo também pode ser realizado pelo Excel, levando-se em
consideração normas técnicas e parâmetros físicos do ambiente.
Após a realização do cálculo, de posse dos resultados, o projetista deve
fazer a análise crítica dos resultados, os refinamentos necessários e a seleção dos
equipamentos do sistema de ar-condicionado.
No estudo em referência, para melhor avaliação da carga térmica, dividiu-se
a área em 03 partes, denominadas de zonas 1, 2 e 3, conforme pode-se ver na
Figura 4.10.
No Anexo deste trabalho tem-se as características do edifício em estudo.
Figura 4.10 – Planta da área climatizada, indicando a divisão por zonas, 1, 2
e 3.
Processo 3
CM 17
Processo 2
Processo 1
Torre
de
resfriamento
Zona 1
Zona 3
CM 49
Zona 2
53
Nas Tabelas 4.5, 4.6 e 4.7 tem-se os resultados dos cálculos das cargas
térmicas das zonas 1, 2 e 3, delimitadas na planta da área climatizada, conforme
Figura 4.10.
Tabela 4.5 – Carga térmica da zona 1.
54
Tabela 4.6 – Carga térmica da zona 2.
55
Tabela 4.7 – Carga térmica da zona 3.
Tomou-se como referência para o cálculo da carga térmica, os parâmetros
de temperatura exterior de acordo com a NBR 6401 (1980) ABNT.
56
Com o resultado da carga térmicas de cada zona, fez-se a comparação da
capacidade frigorígena instalada com a capacidade necessária, desta forma pôde-
se chegar à capacidade frigorígena que deve ser acrescentada para adequação do
sistema de climatização.
Na Tabela 4.8 têm-se a carga térmica total da área em estudo e a
composição da mesma pela carga térmica da zona 1, 2 e 3.
Tabela 4.8 – Carga térmica total da área em estudo.
De posse dos dados da planilha da Tabela 4.8, foi dimensionada a
necessidade frigorígena para o ar-condicionado, sendo que o resultado do cálculo
indicou para um aumento de 28,17 TRs, porém, após análise do sistema instalado
na área em estudo, da possibilidade futura de aumento da carga térmica e dos
equipamentos comerciais, optou-se por utilizar 02 máquinas self-contained de 20
TRs cada, totalizando 40 TRs.
Além das instalações dos novos equipamentos de ar-condicionado, deverá
ser ampliada a rede de dutos, reavaliada a capacidade da torre de resfriamento,
tubulações e bombas e efetuada a substituição dos sensores de umidade e
temperatura por sensores do tipo wireless.
57
CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com base nos levantamentos e dimensionamentos realizados, constatou-se
a necessidade de aumentar a capacidade frigorígena da instalação e prover o
sistema atual das seguintes melhorias:
-Instalar 02 máquinas de ar-condicionado do tipo expansão direta self-
contained de 20 TRs cada, totalizando 40 TRs, selecionou-se para atender às
necessidades os equipamentos self-contained com condensação a água, marca
TRANE modelo SAVE 200 2T, objetivando manter o mesmo padrão dos
equipamentos existentes.
Um dos equipamentos de ar-condicionado deverá ser instalado na casa de
máquinas 49, que atende a zona 3, em função da necessidade da carga térmica,
conforme planilha geral (Tabela 4.8).
O outro equipamento de ar-condicionado deverá ser instalado na casa de
máquinas 17 ao lado dos self-containeds 1 e 2 (zona 1), também em função da
necessidade da carga térmica, conforme planilha geral (Tabela 4.8).
Para as duas instalações deverão ser ampliadas as casas de máquinas.
- Instalar sistema de gerenciamento para os equipamentos de refrigeração e
instalações, para proporcionar o controle e a análise remota dos equipamentos.
Como opção de sistema de gerenciamento, pode-se citar o Metasys de fabricação
Johnson Controls.
- Reavaliar a capacidade da torre de resfriamento atual para certificar-se que
está apropriada para atender os novos equipamentos e a instalação de mais uma
torre de resfriamento para dar condições de redundância e disponibilizar
equipamento para manutenção sem parar o sistema, gerando maior confiabilidade.
58
- Substituir o controle on-off de alimentação dos bancos de resistências de
umidificação e aquecimento por controle eletrônico através de relés de estado
sólido, acionados pelas saídas analógicas dos controladores lógicos programáveis,
garantindo maior precisão nos parâmetros de climatização.
- Substituir sensores de umidade e temperatura por sensores do tipo
wireless, os quais possibilitam maior mobilidade no caso de haver alteração de
layout com movimentação de cargas e postos de trabalho das pessoas.
Após a instalação dos equipamentos, deve-se avaliar a questão da umidade
relativa observando-se o atendimento aos parâmetros estabelecidos pela
engenharia de produto da empresa. Caso o sistema de ar-condicionado não
mantenha a umidade relativa nos patamares desejados, há a necessidade de
instalação de outros tipos de desumidificadores, assunto que pode ser abordado em
trabalhos futuros.
59
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÃO
Após ter as informações sobre os equipamentos e instalações e as
necessidades do processo produtivo, foi analisado por um período de um ano, por
meio de gráficos, o comportamento dos parâmetros de temperatura e umidade da
área e constatado que realmente havia a necessidade de implantação de
equipamentos para aumentar a capacidade frigorígena e atender ao parâmetro de
temperatura e umidade relativa, principalmente no período quente e úmido.
De posse dos dados acima, foi dimensionada a necessidade frigorígena para
o sistema de ar-condicionado, ao qual teoricamente devem ser adicionados 28,17
TRs , porém, após análise do sistema e dos equipamentos comerciais, e em função
da possibilidade futura de aumento da carga térmica, optou-se por utilizar 02
máquinas self-contained de 20 TR cada, já disponíveis comercialmente, totalizando
40 TR.
Além do aumento da capacidade frigorígena da instalação também se
recomenda a instalação de sensores do tipo wireless com maior precisão que os já
existentes, revisão e ampliação no sistema de dutos de INSUFLAMENTO e retorno
de ar, substituição de controles on-off existentes nas máquinas em operação por
relés de estado sólido, os quais possibilitam o controles PID (Proporcional-Integral-
Derivativo) dos controladores programáveis e um gerenciado interativo com telas
gráficas para monitoramento e operação do sistema.
Deixa-se como sugestões para trabalhos futuros, o redimensionamento das
instalações de torre de resfriamento, dutos, tubulações, bombas, instalações
elétricas e sistemas de controles.
60
REFERÊNCIAS
ASHRAE Standard 55, American Society of Heating, Refrigerating and Air-
Conditioning Engineers, 1992.
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6401:
Instalações Centrais de Ar Condicionado para Conforto – Parâmetros Básicos de
projeto. Rio de Janeiro, 1980. 17 p.
COSTA, E. C. Física aplicada à construção – Conforto térmico. 3ª ed. São Paulo:
Editora Edgard Blucher Ltda. 1974. 260 p.
CREDER, H. Instalações de ar condicionado. 6ª ed. Rio de Janeiro: LTC-Livros
Técnicos e Científicos Editora S.A., 2004. 318 p.
DA SILVA, J. G. Introdução à tecnologia da refrigeração e da climatização. 1ª ed.
São Paulo: Artliber Editora Ltda., 2004. 219 p.
FROTA, A. B.; Schiffer, S. R. Manual de Conforto Térmico. 4
a
ed. São Paulo, 2000.
243 p.
GOMES, A. R. Análise comparativa de mecanismo de compressão para aplicação
em refrigeração doméstica. Dissertação de mestrado profissionalizante, 2006 -
Universidade de Santa Catarina.
INCROPERA, F. P.; DEWITT, D. P. Fundamentos de transferência de calor e de
massa. 3ª ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 1992. 455 p.
JOHNSON CONTROLS. Disponível em:
<http://cgproducts.johnsoncontrols.com/MET_PDF/6295540.PDF>. Acesso em: 22
de agosto de 2007.
MACINTYRE, A. J. Ventilação Industrial e Controle da Poluição. 2ª ed. Rio de
Janeiro: Editora Guanabara Koogan S.A., 1990. 403 p.
MUNTERS. – Desumidificadores. Disponível em: <http://www.munters.com.br>
Acesso em: 05 de setembro de 2007.
NORMA REGULAMENTADORA número 17 – Ergonomia - Lei nr. 6.514, de 22 de
dezembro de 1977, Segurança e Medicina do Trabalho.
PRIME TECH, Tecnologia em Climatização. Disponível em: <
http://www.primetech.com.br/2003_port/prod_mist.html>. Acesso em: 18 de
novembro de 2007.
SALVIANO, I. M. Modelagem e Simulação de um Sistema de Ar Condicionado
Automotivo. Trabalho de graduação, 2006 – Universidade de Brasília.
61
SILVA, J. C. Refrigeração comercial e climatização industrial. 1ª ed. São Paulo:
Hemus Editora Ltda. 2004.231 p.
SPRINGER CARRIER. Disponível em: <
http://www.springer.com.br/springer/site/default.asp
.> Acesso em: 07 de setembro
de 2007.
STOECKER, W. F.; JABARDO J. M. S. Refrigeração industrial. 1ª ed. São Paulo:
Editora Edgard Blucher Ltda., 1994. 453 p.
TRANE. Literatura de Serviço: Instalação-Operação-Manutenção. Disponível em: <
http://www.trane.com.br/2006/index.asp?su=3&pa=produtos_detalhamento&idProdu
toCategoria=17> Acesso em: 03 de agosto de 2007.
TORREIRA, R. P. Elementos básicos de ar condicionado. 1ª ed. São Paulo: Hemus
Editora Ltda. 1983.261 p.
UNICAMP/FEM – Universidade de Campinas – Noções de Conforto Térmico,
Cálculo de Carga Térmica, e Sistemas de Condicionamento de Ar. Disponível em: <
http://www.fem.unicamp.br/~em712/em847.html> Acesso em: 05 de setembro de
2007.
YAMANE, E.; SAITO H. Tecnologia do condicionamento de ar. 1ª ed. São Paulo:
Editora Edgard Blucher Ltda., 1986. 357 p.
YORK – Products. Disponível em: <http://www.york.com/products/esg/ > Acesso
em: 13 de novembro de 2007.
62
APÊNDICE
Ar seco: é o ar que não contém vapor de água.
Ar úmido: é o ar que contém vapor de água.
Calor sensível: é o calor que aumenta a temperatura do ar, sem alterar o conteúdo
de umidade do mesmo.
Calor latente: aplicado ao ar, refere-se às modificações do conteúdo de umidade
do mesmo, sem alteração da temperatura.
Calor específico à pressão constante: referindo-se à massa de ar seco, o calor
específico da mistura é dado combinando-se os calores específicos do ar seco e o
do vapor d’água.
Entalpia: é uma propriedade das substâncias que indica sua quantidade de energia
térmica ou “calor total”.
Temperatura efetiva: pode ser definida como a composição de fatores que
contribuem para determinar a sensação de frio ou calor sentido pelo corpo humano,
fatores estes que são a temperatura, a umidade e a movimentação do ar.
Temperatura de bulbo seco (TBS): temperatura do ar medida com um termômetro
comum.
Temperatura de bulbo úmido (TBU): temperatura do ar medida com um
termômetro comum, cujo bulbo de vidro foi coberto com uma gaze úmida
(resfriamento evaporativo).
Temperatura de orvalho: é a temperatura na qual se inicia a condensação do
vapor de água contido no ar para um processo de resfriamento isobárico.
63
Umidade absoluta ou umidade específica (w): é definida como a razão entre as
massas de vapor de água e do ar seco, presentes na mistura (ar úmido), pode-se
dizer que é a massa de água contida em 1 kg de ar seco.
Umidade relativa (%): é a relação entre a pressão parcial do vapor de água no ar
úmido e a pressão de saturação do vapor à mesma temperatura.
64
ANEXO
CARACTERÍSTICA DO EDIFÍCIO NO QUAL ESTE TRABALHO FOI
DESENVOLVIDO.
Piso: constituído de concreto com areia e pedra, espessura de 0,2 m;
revestido com paviflex de 3 mm de espessura.
Paredes internas: constituídas de tijolo de concreto furado, espessura de 0,2
m; revestidas com emboço nos dois lados, espessura de 0,02 m.
Parede externa: constituída de tijolo de concreto furado, espessura de 0,2 m;
revestida de emboço no lado interno, espessura de 0,02 m e revestida no lado
externo com cerâmica, espessura de 0,1 m.
Telhado: constituído de telha de fibrocimento, espessura de 0,05 m; isolante
térmico de lã de vidro, espessura 0,1 m e telha de alumínio, espessura 0,002 m na
parte inferior.
Forro: constituído de lã de vidro com espessura de 0,02 m.
Espaço entre telhado e forro (ar): 0,5 m.
65
S586a
Silva, Nilton de Paula da.
Análise e redimensionamento de um sistema de
climatização em uma indústria de equipamentos eletrônicos./
Nilton de Paula da Silva. – Taubaté: Unitau, 2007.
64 f. :il;30 cm.
Dissertação (Mestrado) – Universidade de
Taubaté. Faculdade de Engenharia Mecânica. Curso de
Engenharia Mecânica
Orientador: José Rui Camargo.
1. Indústria de equipamentos eletrônicos. 2.
Redimensionamento. 3. Climatização. I.
Universidade de
Taubaté.
Departamento de Engenharia Mecânica. II. Título.
CDD
(21)
621.56
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