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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: Refrigeração e Ar Condicionado PROFESSOR: Orosimbo
Dimensionamento de um ar condicionado residencial
Aluno: Guilherme Augusto de Oliveira
Uberlândia, 09 de Dezembro de 2010
Conteúdo 1. Dados de Projeto .................................................................................................................... 3 2. Cálculo da Carga Térmica ..................................................................................................... 4 2.1. Determinação das propriedades do ambiente: ................................................................ 4 2.1.1. Ambiente Externo .................................................................................................... 4 2.1.2. Temperatura e propriedades dos Ambientes Condicionados ................................... 4 2.1.3. Temperatura sobre o teto ......................................................................................... 4 2.1.4. Temperatura do piso ................................................................................................ 4 2.1.5. Coeficientes Globais de Transferência de Calor ...................................................... 5 2.2. Cálculo do Calor de Condução ....................................................................................... 5 2.3. Cálculo de Calor de Insolação ........................................................................................ 6 2.4. Calor de Pessoas ............................................................................................................. 6 2.5. Calor de Iluminação ........................................................................................................ 6 2.6. Calor de Infiltração ......................................................................................................... 7 2.7. Cálculo da Carga térmica total ........................................................................................ 8 3. Seleção de Equipamentos ...................................................................................................... 8 3.1. Análise de climatização por um sistema SPLIT ............................................................. 8 3.2. Análise de um ar condicionado comum .......................................................................... 9 4. Anexos ................................................................................................................................. 10
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1. Dados de Projeto Cidade: Uberlândia. Características do Ambiente: TBS = 33°C, TBU = 23,5°C, UR = 51,6%. Pressão Atmosférica: 92,3535 kPa. Paredes Externas: tijolos furados meia vez (14 cm) Paredes Internas: tijolos furados meia vez (14 cm) Teto e piso: concreto interno de 10 cm. Iluminação: Uma lâmpada fluorescente de 100 w de potência. Dimensões do quarto: 300 cm de largura, 290 cm de altura e 400 cm de comprimento. Dimensões das portas: 80 cm de largura por 210 cm de altura (2 portas). Dimensões da janela: 120 cm de altura por 120 cm de largura. Outras Informações: Há também na quitinete um computador com uma fonte de 60 W e uma pessoa, que permanece na casa em torno de 9 horas por dia. A quitinete situa-se no terceiro e último andar do edifício.
Figura 1 – Planta baixa da residência
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2. Cálculo da Carga Térmica 2.1. Determinação das propriedades do ambiente: 2.1.1. Ambiente Externo Para a cidade de Uberlândia – MG (776 m de altitude) e pressão atmosférica de 92,35 kPa, tem-se as seguintes propriedades (EES): TBS = 33°C TBU = 23,5°C UR = 46,5 % W = 0,01617 Kg/Kg de ar ρ =1,02438 Kg/m³ v = 0,9762 m³/kg h = 74,64 kJ/kg
2.1.2. Temperatura e propriedades dos Ambientes Condicionados Para ambientes internos residenciais condicionados, recomendam-se as seguintes características: TBS = 24 ºC UR = 50% Com as propriedades acima e através da carta psicrométrica do EES, chega-se às seguintes propriedades: TBU = 16,8°C h = 49,88 KJ/Kg v = 0,9384 m3/kg ρ = 1,065644kg/m3 w = 0,01013 kg/kg de ar ∆𝑇 = 5,5 º𝐶 (baseado em uma diferença de 9,4 ºC entre temperatura externa e do recinto condicionado) ∆𝑇 = 𝑇𝑎𝑚𝑏 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 = 9 º 𝐶 ∆𝑇 = 5,5 − 0,4 = 5,1 º𝐶 𝑇𝑛𝑐 = 𝑇𝑖𝑛𝑡 + ∆𝑇 = 29,1 º 𝐶 2.1.3. Temperatura sobre o teto Como a quitinete está no último andar, não há sótão, portanto, ∆𝑇 = 9,4 º𝐶. Como foi mostrado acima, a diferença entre a temperatura de ambiente e a temperatura interna do ambiente condicionado é de 9 ºC. 2.1.4. Temperatura do piso Será desconsiderado o calor de condução pelo piso (𝑡é𝑟𝑟𝑒𝑜 − ∆𝑇 = 0).
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2.1.5. Coeficientes Globais de Transferência de Calor Elementos
U [Kcal/h. m². ºC]
Paredes Externas: tijolos furados meia vez (14 cm)
2,59
Paredes Internas: tijolos furados meia vez (10 cm)
2,54
Teto e piso: concreto interno de 10 cm
3,17
Janela de vidros simples
5,18
Com os dados obtidos pela carta psicrométrica para o ambiente condicionado e externo, constrói-se a seguinte tabela: Tabela 1 – Resumo dos dados de projeto do ar condicionado residencial Ambiente Externo Condicionado Não Condicionados
TBS (°C) 33 24 29,1
TBU (°C) 23,5 16,8 21,1
UR (%) 46,5 50 50
w(Kg/Kg) 0,01617 0,01013 0,01390
ρ(kg/m3) 1,02438 1,06564 1,04123
v (m3/Kg) 0,9762 0,9384 0,9604
h (kJ/kg) 74,64 49,88 64,83
2.2. Cálculo do Calor de Condução Parede Externa 𝑄𝑐𝑝𝑒 = 𝑈. 𝐴. 𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑄𝑐𝑝𝑒 = 2,59. 4.2,9 − 1,2.1,2 . (33 − 24) = 236,8296 Kcal/h
Parede Interna 𝑄𝑐𝑝𝑖 = 𝑈. 𝐴. 𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑄𝑐𝑝𝑖 = 2,54. (4.2,9 + 3.2,9.2 ). 29,1 − 24 =
375,666 Kcal/h
Teto 𝑄𝑐𝑡 = 𝑈. 𝐴. 𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑄𝑐𝑡 = 3,17. (4.3). 29,1 − 24 =
194,004 Kcal/h
Janela 𝑄𝑐𝑗 = 𝑈. 𝐴. 𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑖𝑛𝑡 𝑄𝑐𝑗 = 5,18. (1,2.1,2). 33 − 24 =
67,1328 Kcal/h
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Somando todos os calores de condução calculados acima, tem-se: 𝑄𝑐𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑐𝑗 + 𝑄𝑐𝑡 + 𝑄𝑐𝑝𝑖 + 𝑄𝑐𝑝𝑒 = 873,6324 Kcal/h
2.3. Cálculo de Calor de Insolação Parede Clara à Leste: 𝑄𝑖𝑛𝑠 = 𝑈. 𝐴. 𝛥𝑇𝑖𝑛𝑠 𝑄𝑖𝑛𝑠 = 2,59. 4.3 − 1,2.1,2 . (5,5) = 150,4272 Kcal/h Janela: 𝑄𝑖𝑛𝑠 = 𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑥 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐴𝑡𝑒𝑛𝑢𝑎çã𝑜 𝑥 Á𝑟𝑒𝑎 Fator Solar: 448 Kcal/h.m² Coeficiente de Atenuação: 0,5 (paredes internas e refletoras) Esquadrias metálicas e refletoras: multiplicar por 1,15
𝑄𝑖𝑛𝑠 = 1,15.448.0,5. (1,2.1,2) =
370,944 kcal/h
Calculando o calor total de insolação, tem-se: 𝑄𝑡.𝑖𝑛𝑠 . =
521,3712 Kcal/h
2.4. Calor de Pessoas 𝑄𝑝𝑒. 𝑙 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎𝑠 𝑋 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐿𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎 𝑄𝑝𝑒. 𝑠 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎𝑠 𝑋 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑆𝑒𝑛𝑠í𝑣𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑠𝑠𝑜𝑎
qsen= 66 kcal/h.pes; qlat= 34 hcal/h.pes 𝑄𝑝𝑒. 𝑙 = 1.34 = 34 𝐾𝑐𝑎𝑙/ 𝑄𝑝𝑒. 𝑠 = 1.66 = 66𝐾𝑐𝑎𝑙/ Qpe.total =
100 Kcal/h
2.5. Calor de Iluminação 1 lâmpada fluorescente GE de 100W Qilu = Potência de Iluminação Instalada X 1,1 (Fluorescente) 𝑄𝑖𝑙𝑢 =
110 𝑤 = 94,85 Kcal/h
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2.6. Calor de Infiltração 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑠 = 𝑉𝑖𝑛𝑓. 𝜌𝑎𝑟. 𝐶𝑝. (𝑇𝑓 – 𝑇𝑖) 𝐶𝑝(𝑎𝑟) = 0,24 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔. °𝐶 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑙 = 𝑉𝑖𝑛𝑓. 𝜌𝑎𝑟. (𝑊𝑓 – 𝑊𝑖). 𝑙𝑣 𝑙𝑣 = 583 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔 (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑖𝑧𝑎çã𝑜 𝑑𝑎 á𝑔𝑢𝑎)
Estimativa do volume de ar infiltrado pelo método das frestas
Para janela comum, adota-se que o volume infiltrado de ar é: 𝑉𝑖𝑛𝑓 = 3 𝑚³/. 𝑚 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑉𝑖𝑛𝑓 = 3. (1,2 + 1,2 + 1,2 + 1,2) = 14,4 𝑚³/ 𝑊𝑓 = 0,01390 𝑘𝑔/𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 𝑊𝑖 = 0,01030 𝑘𝑔/𝑘𝑔 𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑐𝑜 ρar = 1,02438 kg/m3 Para janela comum, tem-se: 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑠 = 14,4. 1,02438.0,24.(33-24) = 31,86232 Kcal/h 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑙 = 14,4.1,02438.583. 0,01390 − 0,01030 = 30,95955 Kcal/h
Para a porta bem ajustada, tem-se: 𝑉𝑖𝑛𝑓 = 6,5 𝑚³/. 𝑚 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑉𝑖𝑛𝑓 = 6,5. (2,1 + 0,8 + 2,1 + 0,8) = 37,7 𝑚³/ 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑠 = 37,7.1,04123.0,24. (29,1 – 24) = 48,04735 Kcal/h 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑙 = 37,7.1,04123. (0,01390 – 0,01030).583 = 82,38707 Kcal/h 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑙 = 113,34662 𝐾𝑐𝑎𝑙/ 𝑄𝑖𝑛𝑓. 𝑠 = 79,90967 𝐾𝑐𝑎𝑙/ 𝑸𝒊𝒏𝒇 = 𝟏𝟗𝟑, 𝟐𝟓𝟐𝟔𝟗 𝑲𝒄𝒂𝒍/𝒉
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2.7. Cálculo da Carga térmica total Tabela 1 – Cargas Térmicas do quarto Cargas Térmicas
Kcal/h
Condução
873,6324
Insolação
521,3712
Pessoas
100
Iluminação
94,85
Infiltração
193,25269
CTs = Qc + Qins + Qpe.s + Qilu + Qinf.s CTs = 873,6324+521,3712+66+94,85+79,90967 = 1635,76327 Kcal/h = 0,541 TR CTl = Qpe.l + Qinf.l = 34 + 113,34662 = 147,34662 Kcal/h = 0,0488 TR CT = CTs + CTl = 1783,10989 Kcal/h = 0,5898 TR (7073 BTU/h) FCS = CTs/CT = 0,91737
3. Seleção de Equipamentos
3.1. Análise de climatização por um sistema SPLIT Antes de se escolher um equipamento SPLIT para a climatização da residência em questão, serão feitas algumas explicações acerca do uso destes aparelhos. A unidade consiste de um trocador de calor com tubos em espiras na forma de um cilindro. Dentro do trocador existe um ventilador que sopra ar, um compressor resistente às intempéries e um sistema de controle. Esse sistema tem evoluído ao longo dos anos, pois tem baixo custo e também promove a redução do ruído dentro da casa - porém ocorre um aumento do ruído do lado externo. Além do fato de que o lado frio e o lado quente estão separados e a capacidade é maior (em função dos trocadores de calor e compressores serem maiores), não existe diferença entre um sistema do tipo split e um ar condicionado de janela. Para a seleção de um aparelho tipo SPLIT, deve-se conhecer a carga térmica total do ambiente. Neste caso, tem-se uma demanda por 7073 BTU/h. Assim, optou-se pela compra de um aparelho Carrier 9k Frio, modelo 42 LUCA009515LC, com uma capacidade de 9000 BTU/h. Desta forma, tem-se com segurança a climatização do ambiente. Outra hipótese levantada é que, como o cálculo da carga térmica foi “levemente” superdimensionado, poderia-se considerar a escolha do aparelho Carrier 7k Q/F , de 7000 BTU/h de capacidade nominal. Com isso, poderia-se obter uma redução de consumo de energia, visto que esse aparelho opera a uma potência de 639 W, enquanto o modelo Carrier 9k frio opera a 822 W, cerca de 20% a mais, o que implicaria num maior consumo de energia elétrica.
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Pelo portal eletrônico http://www.norterefrigeracao.com.br, encontrou-se o modelo de SPLIT escolhido pelo valor de R$ 1.150,97. O modelo 42luqa007515c, de 7000 BTU/h, foi encontrado no portal eletrônico http://www.clcarcondicionado.com.br/carrier_26.html pelo preço de R$ 1080,00.
Figura 2 - Catálogo Carrier para modelos de aparelhos SPLITS
3.2. Análise de um ar condicionado comum Para a escolha deste ar condicionado, foi feita a consulta no portal http://www.americanas.com.br/, tendo-se o seguinte ar condicionado como selecionado para atender a demanda térmica:
Figura 3 - Condicionador de Ar Janela 7.500 BTUs Frio CCI07D Mecânico - Consul O valor deste aparelho é de R$ 799,00. Algumas especificações técnicas são informadas pelo vendedor:
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ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS: -Ciclo: frio -Capacidade: 7.500 BTUs -Compressor: rotativo -Consumo de energia mensal: 15.8 KWH/mês -Potência: 754W -Corrente: 6,3A (110V), 3,4A (220V) -Freqüência: 60Hz -Vazão de ar: 330 m3/h -Cor: Branco Dimensões aproximadas do produto (com painel): 36,8x54,1x54cm (AxLxP) Dimensões aproximadas do produto (parte traseira): 32,2x44,3x44cm (AxLxP) Peso líq. aproximado do produto: 28,5kg Garantia do Fornecedor: 12 meses
Portanto, comparando preço, o ar condicionado comum é mais barato que o SPLIT. Porém, se compararmos em termos de consumo de energia elétrica, e se optarmos pelo SPLIT de 7000 BTU/h, de potência de 639 W, tem-se uma redução de consumo de energia de cerca de 15% frente ao ar condicionado comum, desta forma,o “quesito” potência elétrica consumida deve ser considerado no ato da compra, dependendo do tempo de funcionamento do aparelho. Além disso, o SPLIT é mais silencioso, sendo este um fator que pode ser de grande relevância para se decidir qual modelo adquirir.
4. Anexos As tabelas abaixo foram retiradas do livro “INSTALAÇÕES DE AR CONDICIONADO – HÉLIO CREDER”
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