artigo técnico
A psicrometria e a carga térmica
Parte 1
Autor: J. Fernando B. Britto, engenheiro mecânico,
sócio da Adriferco Engenharia, secretário da GEC-4
Por J. Fernando B. Britto
e membro do conselho editorial da revista SBCC
Contato: [email protected]
Introdução
recomenda o uso de duas metodologias principais, ambas baseadas na metodologia da ASHRAE (American
Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning
Conforme discutido em artigo anterior, intitulado
Engineers), sendo elas: TFM (Transfer Function Method)
“Considerações sobre a Psicrometria”, o termo psicrome-
e RTS (Radiant Time Series). Para sistemas de peque-
tria originalmente tinha o sentido de “medir a produção
no porte também é aceito o método CLTD/CLF (Cooling
de frio” e é daí (e obviamente a situação inversa também)
Load Temperature Difference / Cooling Load Factor) que
que se deriva o principal interesse desta ciência para o
consiste em uma simplificação do método TFM.
ramo da termodinâmica.
Existem diversos programas de CCT disponíveis
Por este motivo, a Psicrometria e a Carga Térmica
no mercado baseados nestas metodologias (incluindo
estão intimamente ligadas, sendo uma, para efeitos práti-
aplicações gratuitas disponíveis na internet), onde o lei-
cos, a conseqüência direta da outra.
tor poderá encontrar informações mais detalhadas e se
O objetivo deste artigo não é de explicar o cálculo de
carga térmica em si, ou qualquer metodologia em particular e sim, mostrar a interação entre as duas disciplinas.
aprofundar melhor no assunto.
Independentemente da metodologia empregada, são
avaliadas basicamente as transferências de calor a partir
dos limites externos do sistema (paredes, janelas, forro,
A carga térmica
piso, etc.), a energia irradiada a partir do exterior (insolação) e as dissipações de calor ocorridas diretamente no
interior do ambiente (ocupação, equipamentos, ilumina-
O cálculo de carga térmica (CCT) de um sistema con-
ção, utilidades, etc.).
siste basicamente em duas etapas: a primeira consiste
O somatório de todas estas fontes de energia irá de-
no levantamento das fontes de dissipação de calor que
finir a carga térmica interna do sistema, ou seja, aquela
incidem sobre este sistema e a segunda consiste na de-
que incide diretamente sobre o sistema, o que pode ser
terminação dos escoamentos e condições necessárias
simbolizado pela equação:
para efetuar a troca térmica entre este sistema e o meio
Q = h INSOLAÇÃO + h TRANSMISSÃO + h LUMINÁRIAS + h OCUPAÇÃO + h EQUIPAMENTOS + ...
circundante, de forma a manter determinadas condições
onde:
no interior do sistema.
Q: carga térmica
Em outras palavras, através do cct, pode-se calcular
h NNNN: fluxos de calor
a vazão e temperatura de insuflação de ar necessárias
para se manter o(s) ambiente(s) em uma determinada
condição de temperatura e umidade.
42
Obviamente, esta não é uma tarefa simples e o resultado final nem sempre é a expressão da realidade, inde-
Como na maioria os ramos da ciência, não existe uma
pendentemente da confiabilidade dos dados de base ou
metodologia única para se determinar a carga térmica.
da metodologia empregada, uma vez que a dissipação
No Brasil, atualmente a norma ABNT NBR 16401: 2008
de cada uma das fontes é completamente independente
Cabe lembrar que, embora de acordo com as leis da termodinâmica a entropia
sempre irá aumentar e no final toda energia se transformará em calor (uma forma
menos organizada de energia), na grande maioria das vezes, o resultado do
trabalho (comprimidos, blisteres, ampolas, etc.) provavelmente não permanecerá
tempo suficiente no ambiente onde este foi processado, para permitir a
dissipação completa do calor absorvido pelo produto durante seu
processamento.
Além disso, embora uma parte da energia parte da energia utilizada durante o
processamento efetivamente será dissipada no ambiente, outra parte ficará
armazenada no produto sob outras formas de energia, tais como as tensões
internas devidas aos processos de conformação (moagem, compressão) ou
ainda sob forma de energia química (reatividade, metabolismo) resultante da
adição ou remoção de elementos do composto, dentre outras.
onde:
Q: carga térmica
h NNNN: fluxos de calor
Sol
luminárias
luminárias
Força de
compressão
insolação
F
divisórias
pessoas
equipamentos
Calor residual
Calor
Tensões
Internas
Pó à
comprimir
Processo de Compressão
Produto Acabado
(Sólido Compactado)
Figura 2 – Transformação da energia
Adicionalmente, uma vez que o fabricante do equipamento deve garantir a
Figura 1 - Componentes da Carga Térmica
produtividade expressa em seu catálogo e também que este não encontrará um
2 – Transformação
energiapelo processo (acrescida dos
Figura
- Componentes
da Carga
motor
a potência da
absorvida
Obviamente,
esta 1
não
é uma tarefa simples
e oTérmica
resultado final nem sempre
é Figura
acom exatamente
fatores
expressão da realidade, independentemente da confiabilidade dos dados
de de segurança usuais), usualmente as potências instaladas são
razoavelmente maiores que as efetivamente utilizadas.
base ou da metodologia empregada, uma vez que a dissipação de cada uma
Isto introduz
uma grande
incerteza
no cálculo
damesmo
carga térmica
e obriga a
demais e varia
a todo instante.
o equipamento
estiver
desligado
(e até
em condidas fontes das
é completamente
independente
das demais e varia a todo instante.
seleção de trocadores de calor com capacidades maiores que as efetivamente
Por exemplo, aPor
insolação
incidente
sobre as
paredes sobre
externas
sistema varia
ao
requeridas,
controle de será
capacidade,
conforme
veremos
exemplo,
a insolação
incidente
asdo
paredes
ções dificultando
normais deo operação),
necessário
instalar
um mais
longo do dia e das estações do ano. O mesmo ocorre com a temperatura
do ar
adiante.
externas
do sistema da
varia
ao longo
do dia
e das
sistema de reaquecimento muito maior que o realmente
externo, variando
a temperatura
superfície
externa
(além
da estacarga inerente
devida aoções
ar de
e sobrepressão).
a direção
e necessário,
a
DE CALOR
dorenovação
ano. O mesmo
ocorre comAdicionalmente,
a temperatura do
ar TROCADORES
caso se conhecesse a dissipação efetiva em
velocidade do vento variam aleatoriamente de um minuto para o outro. Tudo
isto
Simplificando:
do ponto de vista da termodinâmica, o trocador de calor é o
externo,
variando
a limites
temperatura
superfície externa elemento
condições
de processo.
afeta a carga
incidente
sobre os
externos da
do sistema.
responsável
por estabelecer o equilíbrio energético entre dois fluidos
Por outro lado, a ocupação, a iluminação, os equipamentos e utilidades
no com diferentes temperaturas, através do contato físico de ambos com
(no
caso)
(além da carga inerente devida ao ar de renovação e soCabe lembrar que, muito embora as leis da termodiinterior do sistema, podem incidir em um número infinito de combinações. uma superfície comum, transferindo o calor do ambiente (carga térmica) em
contato
com um
dos fluidos para
o fluido
existentesempre
na outrairá
face
do trocador.
brepressão).
Alémodo
mais, a no
direção
e a equipamentos
velocidade doprodutivos
nâmica
determinem
que
a entropia
aumentar
Para agravar
um pouco mais
problema,
caso dos
Do ponto
instalados no interior dos ambientes, é praticamente impossível se determinar
sua de vista dos fluidos utilizados para trocar calor, a equação da carga
vento variam aleatoriamente de um minuto para o outro. térmica
e,é:ainda que no final toda energia seja transformada em
dissipação máxima efetiva sem ensaiá-lo em condições reais de uso e, mesmo
* c * (t1
- t0) forma menos organizada de energia), na granassim, estaTudo
dissipação
irá a
variar
em
função sobre
do volume
de produção
das
isto afeta
carga
incidente
os limites
exter- Qe= m
calor
(uma
características do material processado em cada momento.
onde:
nos do sistema.
de maioria das vezes, o resultado do trabalho ou seja, o
Por esta razão, não é incomum que se utilizem as potências consumidas máximas
Q: quantidade de calor (em nosso caso, carga térmica)
informadas pelos
sendo efetivamente
a dissipação
máxima do
m: fluxo deacabado,
massa
Porfabricantes
outro lado,como
a ocupação,
a iluminação,
os equipaproduto
provavelmente não permanecerá temequipamento. Porém, isto significaria considerar, por exemplo, que um motor
e utilidades
interior do
sistema, se
podem
incidir em uma
po suficiente no ambiente onde este foi processado, para
(máquina mentos
destinada
a produzir no
movimento
/ trabalho)
transformou
bomba deem
calor
um(máquina
número destinada
infinito deexclusivamente
combinações.a gerar calor).
permitir a dissipação completa do calor absorvido pelo
Certamente esta prática estaria “a favor da segurança”, porém, em
pouco
maispara
o CCT,
no caso as
doscondições
produto durante seu processamento.
contrapartida, Para
comoagravar
veremosum
mais
adiante,
se manterem
internas quando
o equipamento
estiver
desligadoe (e
mesmo calor
em condições Além disso, mesmo que uma parte da energia utilizada
equipamentos
produtivos
instalados
queaté
dissipam
normais de operação), será necessário instalar um sistema de reaquecimento
noque
interior
dos ambientes,
praticamente
impossível
se efetiva
durante o processamento efetivamente seja dissipada no
muito maior
o realmente
necessárioécaso
se conhecesse
a dissipação
em condições
de
processo.
determinar sua dissipação máxima efetiva sem ensaiá-lo
ambiente, outra parte ficará armazenada no produto sob
em condições reais de uso e, mesmo assim, esta dis-
outras formas de energia, tais como as tensões internas
sipação irá variar em função do volume de produção e
devidas aos processos de conformação (moagem, com-
das características do material processado em cada
pressão, moldagem, etc.) ou ainda sob forma de energia
momento.
química (reatividade, metabolismo) resultante da adição
Por esta razão, não é incomum que se utilizem as
ou remoção de elementos do composto, dentre outras.
potências consumidas máximas informadas pelos fabri-
Adicionalmente, como os fabricantes dos equipa-
cantes como sendo equivalentes à dissipação máxima
mentos utilizados no processo produtivo devem garantir
do equipamento.
a produtividade expressa em seus catálogos e também
Porém, isto significaria considerar, por exemplo, que
que estes não encontrarão um motor com a exata potên-
um motor (máquina destinada a produzir movimento / tra-
cia absorvida pelo processo (acrescida dos fatores de se-
balho) se transformou em uma bomba de calor (máquina
gurança usuais), usualmente as potências instaladas são
destinada exclusivamente a introduzir energia térmica
razoavelmente maiores que as efetivamente utilizadas.
em um sistema, retirando-o de uma fonte externa de
energia).
Isto introduz uma grande incerteza no cálculo da
carga térmica e obriga a seleção de trocadores de calor
Certamente esta prática estaria “a favor da segu-
com capacidades maiores que as efetivamente requeri-
rança”, porém, em contrapartida, como veremos mais
das, dificultando o controle de capacidade do sistema de
adiante, para se manterem as condições internas quando
tratamento de ar, conforme veremos mais adiante.
43
artigo técnico
Trocadores de calor
diferentes (ou seja, os fluidos), sendo a troca de calor
decorrente da seguinte equação:
Q TROCADOR = U * A * dtml
Simplificando: do ponto de vista da termodinâmica, o
onde:
trocador de calor é o elemento responsável por estabe-
Q TROCADOR: quantidade de calor (carga térmica, no caso)
lecer o equilíbrio energético entre dois fluidos (no caso)
U: coeficiente global de condutibilidade térmica
com diferentes temperaturas, através do contato físico de
A: área da superfície de troca (no caso, constante)
ambos com uma superfície comum, transferindo o calor
dtml: diferencial média logarítmica da temperatura entre os fluidos
do ambiente (carga térmica) em contato com um dos flui-
Deste modo, introduzimos mais um termo na igualdade, sendo:
dos para o fluido existente na outra face do trocador.
Q AR = Q TROCADOR = Q ÁGUA
Do ponto de vista dos fluidos utilizados para trocar
calor, a equação da carga térmica é:
Q = m * c * (t1 - t0)
Então,
mAR * cAR * (t1AR - t0AR) = U * A * dtml = mÁGUA * cÁGUA * (t1ÁGUA - t0ÁGUA)
Isto se encontra representado graficamente na figura
onde:
3, onde a troca térmica em uma serpentina ocorre atra-
Q: quantidade de calor (em nosso caso, carga térmica)
vés da superfície do trocador tubular aletado, com água
m: fluxo de massa
gelada escoando no interior dos tubos e ar em volta dos
c: calor especifico (considerado constante)
mesmos:
Q AR = Q ÁGUA
Água
fria
Água
fria
mudança de fase dos fluidos:
Água
quente
Água
quente
E esta vale para ambos os fluidos, então, não havendo
t
(ºC)
mAR* cAR* (t1AR - t0AR) = mÁGUA * cÁGUA * (t1ÁGUA - t0ÁGUA)
Ar
Ar Ar
quente
quente
Ar
frio
Ar
frio
Como visto anteriormente, ao término da determinação da carga térmica, teremos como resultado o valor
da variável Q em função da temperatura desejada no
ambiente (variável t1AR). Deste modo, conhecendo-se o
valor de Q e de t1, podemos ajustar a temperatura t0AR
e determinar o fluxo m (vazão) em ambos os lados da
equação.
Obviamente, existem outras condições a serem obe-
Diagrama
do trocador
de calor
Diagrama
do trocador
de calor
Ar
Água Água
Gráfico
do gradiente
de de
Gráfico
do gradiente
temperaturas
temperaturas
Figura
3 – Troca
de calor
em uma
serpentina
de água
gelada
Figura
3 – Troca
de calor
em uma
serpentina
de água
gelada
Figuracada
3 – Troca
de
calor
em ter
uma serpentina
devalor
água
Teoricamente,
um dos
termos
deveria
o mesmo
e, e,
Teoricamente,
cada
um dos
termos
deveria exatamente
ter exatamente
o mesmo
valor
quando
igualássemos
a
equação,
definiríamos
exatamente
a
área
do trocador
quando
igualássemos a equação, definiríamos exatamente a área
do trocador
gelada
de calor.
de calor.
Então,
concluída
a seleção
do trocador
de calor
(após
a qual
se fixou
sua área)
e e
Então,
concluída
a seleção
do trocador
de calor
(após
a qual
se fixou
sua área)
fixados os fluxos em ambos os lados do trocador (m AR e mÁGUA), o equilíbrio do
fixados os fluxos em ambos os lados do trocador (m AR e mÁGUA), o equilíbrio do
sistema (igualdade da equação) passa a depender das respectivas temperaturas
sistema (igualdade da equação)
passa a depender das respectivas temperaturas
cada
). um dos termos deveria ter exatade entradaTeoricamente,
dos fluídos (t0 AR e t0ÁGUA
de entrada dos fluídos
(t0 AR e t0ÁGUA).
mente o mesmo valor e, quando igualássemos a equação,
A BUSCA DO EQUILÍBRIO
A BUSCA DO EQUILÍBRIO
A seleção do trocador de calor é definida então em
exatamente
a área
do trocador
de calor.
Comodefiniríamos
dissemos anteriormente,
a incerteza
na determinação
da carga
térmica
Como dissemos anteriormente, a incerteza na determinação da carga térmica
acaba por impor, na maioria das vezes, um sobredimensionamento na área do
acaba
por
impor,
na maioria das
vezes,
umdo
sobredimensionamento
na (após
área
Então,
concluída
aum
seleção
trocador
de
calor
igualdade
e a do
trocador
de
calor,
desequilibrando
dos termos
(Q
TROCADOR ) da
trocador
de calor,
desequilibrando
um da
dosequação
termos (Q(Q
TROCADOR ) da igualdade e a
própria
incerteza
desequilibra
o outro termo
AR ).
própria
incerteza
desequilibra
o
outro
termo
da
equação
(Q
).
AR
a qual
se fixou
área)
ereequilibrar
fixados os
fluxos em
ambosa os
Só resta
ao terceiro
termosua
(Q ÁGUA
) tentar
a equação,
ajustando-se
reequilibrar
a equação, ajustando-se a
Só e/ou
restatemperaturas
ao terceiro termo
(Q ÁGUA) tentar
vazão
de suprimento
e saída
da água resfriada.
vazão
e/ou
temperaturas
de(m
e saída
água
m
),
o
equilíbrio
do
sistema
lados
do
trocador
) da
deve
ser resfriada.
mantido
constante
Como
no caso
das
salas limpas
osuprimento
fluxoede
ar
(mAR
ARo fluxo ÁGUA
ser mantido
constante
no a
caso
das salas limpas
deem
ar suspensão
(mAR) devenos
paraComo
garantir
concentração
de partículas
ambientes
(ou
para
garantir
a
concentração
de
partículas
em
suspensão
nos
ambientes
seja, a
classificaçãoda
do equação)
ambiente), então
o equilíbrio
entre a das
cargarespectitérmica (ou
(igualdade
passa
a depender
seja, anosclassificação
ambiente),pelo
então
o equilíbrio
entre aalterando
carga térmica
dissipada
ambientes do
e absorvida
fluxo
de ar, ocorre
a
dissipada
ambientes
e(t1absorvida
pelo
de ar,
alterando
temperatura
donos
ar no
ambientede
).
AR
e t0
). a
vas temperaturas
entrada
dosfluxo
fluídos
(t0ocorre
AR
ÁGUA
temperatura
ar no ambiente
(t1é
AR ).
Como
a área dodotrocador
de calor
fixa, este reage à carga imposta pelo
Como
a
área
do
trocador
de
calor
é
fixa,
este
reage
à
carga
imposta
ambiente ao fluxo de ar, solicitando nova carga ao fluxo de água e impondopelo
aoseu
fluxo
dee/ou
ar, solicitando
nova
carga ao fluxo
de água e impondo
umaambiente
variação a
fluxo
temperaturas
de suprimento
e saída.
uma variação
a seu fluxo
e/ou do
temperaturas
e saída.
) varia ao longo
Por outro
lado, a própria
condição
suprimentode
desuprimento
água (t0 ÁGUA
) varia
ao longo
Por outro
a própria
condição
do suprimento
de água
(t0 ÁGUA
do tempo,
emlado,
função
da resposta
de sua
própria geração,
o que
pode
dificultar
domais
tempo,
em função
resposta de sua própria geração, o que pode dificultar
ainda
a obtenção
do da
equilíbrio.
Paraainda
facilitar
a acompreensão,
consideremos o exemplo abaixo, sendo este um
mais
obtenção do equilíbrio.
sistema
seguintes ambientes:
Paracomposto
facilitar apelos
compreensão,
consideremos o exemplo abaixo, sendo este um
 sistema
Sala de
granulação:
uma de
suas paredes submetidas à insolação e
composto
peloscom
seguintes
ambientes:
voltada
para
o
Leste,
outra
para
o Sul
as restantes
contíguas
aoàna
corredor
 Sala
de granulação:
com
uma
deesuas
paredes
submetidas
insolação
Como
dissemos
anteriormente,
a incerteza
deter-e
de circulação
e à osala
de mistura.
voltada para
Leste,
outra para o Sul e as restantes contíguas ao corredor
de
circulação
e
à
sala
de
mistura.
minação da carga térmica acaba por impor, na maioria
função da carga térmica Q, porém como seu próprio
das vezes, um sobredimensionamento na área do troca-
nome indica, sua seleção ocorre em função dos diferen-
dor de calor, desequilibrando um dos termos (QTROCA-
ciais de temperatura entre as faces de uma superfície à
DOR) da igualdade e a própria incerteza desequilibra o
qual são expostas as fontes de calor com temperaturas
outro termo da equação (QAR).
decidas na determinação de t0AR, as quais serão abordadas mais adiante neste texto (e na segunda parte deste
artigo). Por enquanto, iremos adotar apenas as variáveis
anteriores.
No caso do ar e da água, é possível até certo ponto,
injetar água diretamente no ar, resfriando-o ou aquecendo-o, porém isto sempre afetaria seu conteúdo de umidade. Para evitarmos este problema (denominado troca
de massa), utilizamos os trocadores de calor, isolando
os fluidos por meio de uma superfície impermeável a
ambos.
44
t
(ºC)
A busca do equilíbrio
Só resta ao terceiro termo (QÁGUA) tentar reequili-
Sala de granulação: com uma de suas paredes
brar a equação, ajustando-se a vazão e/ou temperaturas
submetidas à insolação e voltada para o Leste, outra
de suprimento e saída da água resfriada.
para o Sul e as restantes contíguas ao corredor de
Como no caso das salas limpas o fluxo de ar (mAR)
circulação e à sala de mistura.
deve ser mantido constante para garantir a concentra-
Sala de mistura: com uma de suas paredes voltada
ção de partículas em suspensão nos ambientes (ou seja,
para o Sul, outra para o Oeste e outra para o mesmo
a classificação do ambiente), então o equilíbrio entre a
carga térmica dissipada nos ambientes e absorvida pelo
fluxo de ar, ocorre alterando a temperatura do ar no am-
corredor.
Corredor: com três faces externas, voltadas
respectivamente para o Leste, Norte e Oeste. A face
restante é contígua às demais salas.
biente (t1AR).
Como a área do trocador de calor é fixa, este reage
à carga imposta pelo ambiente ao fluxo de ar, solicitando
 Sala de mistura: com uma de suas paredes voltada para o Sul, outra para o
OesteCertamente
e outra para oomesmo
leitor corredor.
já percebeu que a carga devida à
 Corredor: com três faces externas, voltadas respectivamente para o Leste,
insolação
paredes
externas
irá variar
Norte
e Oeste.sobre
A faceas
restante
é contígua
às demais
salas. ao longo
nova carga ao fluxo de água e impondo uma variação a
seu fluxo e/ou temperaturas de suprimento e saída.
N
Por outro lado, a própria condição do suprimento de
Corredor
água (t0ÁGUA) varia ao longo do tempo, em função da
resposta de sua própria geração, o que pode dificultar
Mistura
ainda mais a obtenção do equilíbrio.
Granulação
Para facilitar a compreensão, consideremos o exemplo abaixo, sendo este um sistema composto pelos seguintes ambientes:
Figura dos
4 – Leiaute
dos ambientes
Figura 4 – Leiaute
ambientes
Certamente o leitor já percebeu que a carga devida à insolação sobre as
paredes externas irá variar ao longo do dia e incidir em apenas um dos ambientes
produtivos de cada vez.
Adicionalmente, o processo produtivo se inicia na sala de granulação e segue
para a sala de mistura, o que significa que a cada início de produção apenas
uma das salas estará operando a plena capacidade, enquanto a outra aguarda
para processar seu 1º lote.
Suponhamos então que o processo de granulação ocorre pela manhã e a
mistura do 1º lote só ocorrerá à tarde, e também que existe apenas um único
sistema de tratamento de ar para atender a todos os ambientes.
Ou seja, teremos três fluxos de ar de entrada (insuflação) de valores constantes,
com cargas térmicas extremamente variáveis e completamente independentes
entre si, recebendo ar de uma única fonte de suprimento, a uma mesma
temperatura.
Considerando-se apenas a variável temperatura do ar nos ambientes (t1 AR), no
começo do dia a sala de granulação estaria dentro das condições de controle e
a sala de granulação estaria fria. À tarde a condição se inverteria.
O corredor estaria frio durante praticamente todo o dia, sendo tanto mais frio
quando maior for o número de trocas requerido por sua classe de limpeza.
Quando se adota uma estratégia de controle pela média das temperaturas nos
ambientes, é aproximadamente isto que ocorre, porém o fato pode ser
parcialmente minimizado adotando-se uma condição de insuflação (t0 AR )
adequada para cada caso e reduzindo-se a difusão (diferença entre as
temperaturas de insuflação e do ambiente).
Obviamente, do ponto de vista do processo seria desejável dispormos de um
equipamento independente para cada sala, porém considerações de
ordem financeira nem sempre permitem tal condição.
Outra estratégia é utilizar dispositivos de reaquecimento independentes para
cada ambiente e definir a condição de saída do trocador de calor em função
anuncio
artigo técnico
do dia e incidir em apenas um dos ambientes produtivos
de cada vez.
Uma questão de umidade
Há de se considerar que o processo produtivo se inicia
na sala de granulação e segue para a sala de mistura, o
Até o momento, para facilitar a compreensão do leitor,
que significa que a cada início de produção apenas uma
nos preocupamos exclusivamente com uma variável na
das salas estará operando a plena capacidade, enquanto
carga térmica: a temperatura do ambiente. Porém, não
a outra aguarda para processar seu 1º lote.
podemos deixar de tratar da umidade, principalmente
Suponhamos então que o processo de granulação
quando tratamos de ambientes onde as exigências cos-
ocorre pela manhã e a mistura do 1º lote só ocorrerá à
tumam ser muito maiores, como frequentemente ocorre
tarde, e também que existe apenas um único sistema de
no caso dos ambientes de processo.
tratamento de ar para atender a todos os ambientes.
Ou seja, teremos três fluxos de ar de entrada (insuflação) de valores constantes, com cargas térmicas extremamente variáveis e completamente independentes
entre si, recebendo ar de uma única fonte de suprimento,
a uma mesma temperatura.
mAR * cAR * (t1AR - t0AR) = U * A * dtml = mÁGUA * cÁGUA *
(t1ÁGUA - t0ÁGUA)
Considerando-se que o fluxo de ar deve permanecer
constante e que tanto o calor específico do ar como o da
Considerando-se apenas a variável temperatura do ar
água são considerados constantes, assim como a área
nos ambientes (t1AR), no começo do dia a sala de granula-
e o coeficiente de condutibilidade térmica do trocador
ção estaria dentro das condições de controle e a sala de
de calor, então, para compensar a variação da carga
granulação estaria fria. À tarde a condição se inverteria.
térmica do ambiente e equilibrar a equação em relação
O corredor estaria frio durante praticamente todo o
à carga térmica do ar, mantendo a temperatura interna
dia, sendo tanto mais frio quando maior for o número de
do ambiente constante, devemos alterar a condição de
trocas requerido por sua classe de limpeza.
suprimento do ar (t0AR), o que, por sua vez, afeta a carga
Quando se adota uma estratégia de controle pela mé-
térmica do lado da água (fluxo e/ou temperatura).
dia das temperaturas nos ambientes, é aproximadamen-
No entanto, em sistemas com controle de temperatu-
te isto que ocorre, porém o fato pode ser parcialmente
ra e umidade, dotados de resfriamento e desumidificação
minimizado adotando-se uma condição de insuflação
do ar, ao modificarmos a temperatura do suprimento de
(t0AR) adequada para cada caso e reduzindo-se a difu-
ar (t0AR), também alteramos a quantidade de umidade
são (diferença entre as temperaturas de insuflação e do
que pode ser removida do ar ao passar pela serpentina,
ambiente).
a qual está associada à condição da saída do ar na ser-
Obviamente, do ponto de vista do processo seria
pentina de resfriamento.
desejável dispormos de um equipamento independente
Ou seja, à medida que a temperatura do ar na saída
para cada sala, porém considerações de ordem financei-
da serpentina se eleva, também pode aumentar a quan-
ra nem sempre permitem tal condição.
tidade de umidade contida no mesmo, o que pode se re-
Outra estratégia é utilizar dispositivos de reaque-
fletir na condição interna do ambiente, como verificamos
cimento independentes para cada ambiente e definir a
na figura 5:
condição de saída do trocador de calor em função da
Obs.: Em processos de resfriamento e desumidificação
maior necessidade de difusão. Isto certamente irá tornar
a remoção da umidade ocorre quando a temperatura
o sistema significativamente melhor, porém consideravel-
do ar atinge sua condição de saturação (curva à
mente mais caro também.
esquerda), momento em que ocorre a mudança de
Ambas as estratégias são extremamente válidas e
46
Retomemos então a igualdade entre a carga térmica
e os fluxos de calor associados ao trocador de calor:
fase da água contida no ar sob a forma de vapor
frequentemente utilizadas, independentemente da dis-
superaquecido (umidade), o qual se transforma
ponibilidade de recursos do usuário durante a aquisição
em gotículas de água e é removido do sistema por
do sistema, porém cada uma delas irá impor um custo
efeito da impactação contra as paredes (no caso, as
energético diferente, que obviamente será agregado ao
aletas) do trocador de calor e da gravidade. Ocorre,
custo do produto.
no entanto, um pequeno afastamento da curva de
quando tratamos de ambientes onde as exigências costumam ser muito maiores,
como frequentemente ocorre no caso dos ambientes de processo.
Retomemos então a igualdade entre a carga térmica e os fluxos de calor
associados ao trocador de calor:
mAR * cAR * (t1AR - t0AR) = U * A * dtml = mÁGUA * cÁGUA * (t1ÁGUA - t0ÁGUA)
Considerando-se que o fluxo de ar deve permanecer constante e que tanto o
calor específico do ar como o da água são considerados constantes, assim como
a área e o coeficiente de condutibilidade térmica do trocador de calor, então,
para compensar a variação da carga térmica do ambiente e equilibrar a
equação em relação
à carga
térmica
ar, mantendo
a temperatura
interna
saturação
em função
dado
passagem
de uma
pequena
ra, ado
ordenada a umidade específica e as curvas a umiambiente constante, devemos alterar a condição de suprimento do ar (t0 AR), o
parcela do fluxo de ar que não troca calor com as
dade relativa (até a curva de saturação, à esquerda do
que, por sua vez, afeta a carga térmica do lado da água (fluxo e/ou
paredes
do
sistema
e
acaba
por
reaquecer
o
fluxo
a
gráfico).
temperatura).
No entanto, emjusante
sistemas
com
controle
de
temperatura
e
umidade,
dotados
de
do trocador.
Podemos
verificar nesta figura que, ao elevarmos a
resfriamento e desumidificação do ar, ao modificarmos a temperatura do
temperatura
de
saída da serpentina de tA para tB, para
suprimento de ar, também alteramos a quantidade de umidade que pode ser
removida do arAao
passar
pela serpentina,
a qualparte
está de
associada
à condição
da
figura
5 (acima),
representando
uma carta
preservar
a temperatura do ambiente (t AMB), a serpentina
saída do ar na serpentina de resfriamento.
remove menos umidade absoluta (de ωA para ωB), deterpsicrométrica, onde a abscissa representa a temperatuOu seja, à medida que a temperatura do ar na saída da serpentina se eleva,
também pode aumentar a quantidade de umidade contida no mesmo, minando
o que que a umidade (tanto específica quanto relativa)
pode se refletir na condição interna do ambiente, como verificamos na figura
do 5:
ambiente se eleve.
QB < Q A
QA

(g/kg)
URB
se necessite controlar ao mesmo tempo a temperatura e
umidade relativa dos ambientes, impõem-se a necessi-
URA
B
Deste modo, em sistemas de tratamento de ar em que
B
A
A
dade de se implantarem dispositivos de reaquecimento,
de forma a compensar a variação da carga térmica do
ambiente.
Desta forma, mantém-se a condição de saída do ar na
serpentina de resfriamento e desumidificação e se com-
tA
tB
tAMB
t (ºC)
Figura 5 – Variação da umidade em função da variação
Figura 5 – Variação da umidade em função da variação da
temperatura de saída da serpentina
pensa a variação da carga térmica (QB < Q A) elevandose a temperatura de insuflação com a utilização de um
dispositivo de reaquecimento sensível do ar (tB > t A), sem
anuncio
artigo técnico
alteração da umidade específica do sistema (ωA = ωB =
constante), como verificamos no gráfico da figura 6:
Se a umidade relativa for analisada independentemente da temperatura, a lógica ditaria que, uma vez que
Isto certamente implica em uma demanda maior de
o elemento responsável pela remoção da umidade (no
energia, pois há a necessidade de se resfriar o fluxo de ar
caso) é a serpentina de resfriamento e desumidificação,
até a condição termoigrométrica requerida para obtenção
deve-se então aumentar a vazão de água gelada na ser-
da umidade específica (ωA) e posteriormente reaquecer
pentina (ou ligar o compressor) para combater a elevação
o fluxo até a condição solicitada pela carga térmica do
da umidade relativa.
ambiente.
da temperatura de saída da serpentina
Entretanto, se considerarmos que o problema se
deve à redução da carga térmica sensível no interior do
ambiente (Q < Q
), que resultou em uma redução da
B
PROJ
Obs.: Em processos de resfriamento e desumidificação a remoção da umidade
ocorre quando a temperatura do ar atinge sua condição de saturação
temperatura interna do ambiente, isto causaria uma re(curva à esquerda), momento em que ocorre a mudança de fase da água
dução ainda maior na temperatura do ambiente (t’AMB <
contida no ar sob a forma de vapor superaquecido (umidade), o qual se
transforma
em
gotículas
de
água
e
é
removido
do
sistema
por
efeito
da
Como se verifica no gráfico da figura 7, à medida que
t AMB), com a consequente elevação na umidade relativa
impactação contra as paredes (no caso, as aletas) do trocador de calor e
a
carga
térmica
sensível
interna
se
reduz,
reduzindo
a
do ambiente (URB > UR A), já que a nova temperatura esda gravidade. Ocorre, no entanto, um pequeno afastamento da curva de
saturação
em
função
da
passagem
de
uma
pequena
parcela
do
fluxo
de
tará cada vez mais próxima da curva de saturação, até
temperatura do ambiente, o ponto de operação (t AMB, ωA)
ar que não troca calor com as paredes do sistema e acaba
por reaquecer
irá
interceptar
uma
curva
de
umidade
relativa
mais
à
eso ponto onde o sistema de reaquecimento iniciaria sua
o fluxo a jusante do trocador.
Como verificamos na figura 5 (acima), representando parte de uma carta
querda (t’ , ωA) e, consequentemente, mais próxima à
operação devido à baixa temperatura do ambiente, como
psicrométrica, ondeAMB
as abscissas representam a temperatura, as ordenadas a
umidade específica
e
as
curvas
a
umidade
relativa
(até
a
curva
de
saturação,
à verifica na figura 8:
saturação, ou seja, com umidade relativa maior (UR’A >
se
esquerda do gráfico), ao elevarmos a temperatura de saída da serpentina de tA
UR ):
Em sistemas onde não é possível analisar a umidade
para tB para Apreservar a temperatura do ambiente (t AMB), a serpentina remove
da
temperatura
de
saída
da
serpentina

para

),
permitindo
que
a
umidade
(tanto
específica
menos umidade
(de
A
B
Como os
sensores
fornecem separadamente os
específica do ar (ωA), recomenda-se que o algoritmo de
quanto relativa) do ambiente se eleve.
)
e
umidade
relativa
(UR
)
do
dados
de
temperatura
(t
controle de umidade opere primeiramente reaquecendo
A
A
Deste modo, em sistemas de tratamento
de ar em que se necessite
controlar
Obs.: Em processos de resfriamento e desumidificação a remoção da umidade
concomitantemente
a
temperatura
e
umidade
relativa
dos
ambientes,
impõemambiente,
o temperatura
sensor de do
umidade
interpretará
ocorre
quando a
ar atingerelativa
sua condição
de saturaçãoo ar de insuflação (tal como ocorre na figura 6, onde tB >
se a necessidade de se implantarem dispositivos de reaquecimento, de forma a
(curva
à esquerda),
momento
em que ocorre
a mudança
de fase
da água
apenas
que
houve
um
aumento
na
umidade
relativa
compensar a variação da carga térmica do ambiente e ainda assim do
se manter taA), de forma a recuperar primeiramente a temperatura do
contida no ar sob a forma de vapor superaquecido (umidade), o qual se
condição ambiente.
de saída do ar na serpentina de resfriamento e desumidificação, como
transforma em gotículas de água e é removido do sistema por efeito daambiente (tAMB).
verificamos no gráfico da figura 6:
impactação contra as paredes (no caso, as aletas) do trocador de calor e
Deste modo, à medida que a temperatura do ambienda gravidade. Ocorre, no entanto, um pequeno afastamento da curva de

saturação em função da passagem de uma pequena parcela
do fluxo dete subir, a umidade relativa tenderá a diminuir e, caso os
(g/kg)por reaquecer
Como os sensores fornecem separadamente os dados de temperatura (tA) e
ar que não troca calor com as paredes do sistema e acaba
controle
de otemperatura
sejam superados,
umidadeparâmetros
relativa (URAde
) do
ambiente,
sensor de umidade
relativa interpretará
o fluxo a jusanteQdo
trocador.
A
Q
B
apenas
que
houve
um
aumento
na
umidade
relativa
do
ambiente. a caComo verificamos na figura 5 (acima), representando parte de uma cartao controlador de temperatura começará a aumentar
URA
Se a umidade
relativa for analisada independentemente da temperatura, a lógica
psicrométrica, onde as abscissas representam a temperatura, as ordenadas
a
ditaria que,
uma vezde
que
o elemento responsável
refrigeração
do sistema.pela remoção da umidade (no
umidade específica e as curvas a umidade relativa (até a curva de saturação,
àpacidade
caso)
serpentina de resfriamento e desumidificação, deve-se então aumentar
esquerda do gráfico), ao elevarmos a temperatura de saída da serpentina
deé ta
A
Já em
sistemas
mais (ou
sofisticados,
nos quais
se
A
B
a vazão de água
gelada
na serpentina
ligar o compressor)
para combater
a
A
remove
para tB para preservar a temperatura do ambiente (t AMB), aserpentina
elevação
da
umidade
relativa.
menos umidade (de  A para  B), permitindo que a umidade (tanto específicadispõem de CLPs, pode-se analisar a umidade especíEntretanto, se considerarmos que o problema se deve à redução da carga
Reaquecimento
quanto relativa) do ambiente se eleve.
diretamente
demanda
térmica fica
sensível
no interior edoiniciar-se
ambientepor
(QB reduzir
< QPROJ),a que
resultoude
em uma
Deste modo, em sistemas de tratamento de ar em que se necessite redução
controlarda temperatura interna do ambiente, isto causaria uma redução ainda
t
(ºC)
tA
tAMB
refrigeração, elevando a temperatura de saída do ar na
concomitantemente a temperatura
etBumidade relativa
dos ambientes, maior
impõemna temperatura do ambiente (t’AMB < tAMB), com a consequente elevação
se a necessidade de se implantarem dispositivos de reaquecimento, dena
forma
a
umidade
relativa do
ambiente
(URde
URA), jáoque
a nova temperatura
B > ativar
serpentina,
antes
mesmo
reaquecimento,
eco- estará
Figura
6 – carga
Reaquecimento
manutenção
compensarFigura
a variação
da
térmica
dopara
ambiente
assim se manter
a mais próxima da curva de saturação, até o ponto onde o sistema de
6 – Reaquecimento
para manutenção
das e aindadas
cada vez
das
condições
termoigrométricas
do
ambiente
condição de
do ar
na serpentina de
resfriamento e desumidificação,
comonomizando
ainda
mais energia.
dassaída
condições
termoigrométricas
do ambiente
reaquecimento
iniciaria
sua operação
devido à baixa temperatura do ambiente,
verificamos
da serpentina
figura 6: de resfriamento e desumidificação écomo
se verifica na figura 8:
A condiçãono
degráfico
saída da
mantida
constante e a variação da carga térmica é compensada através do dispositivo

de reaquecimento.

(g/kg)
(g/kg)
Isto certamente implica em uma demanda maior de energia,
pois há a
necessidade de seQresfriar o fluxo de ar até a condição termoigrométrica
Q
PROJ
A
QB
URB
URA
URA
QB
Controlando a umidade
A
B
A
A
B
A
B
Reaquecimento
tA
tB
tAMB
tB
t (ºC)
6 – Reaquecimento
manutenção
Figura Figura
8 – variação
da temperatura epara
umidade
relativa do das
ambiente
das
do ambiente
em função
dacondições
redução da termoigrométricas
temperatura de insuflação
tA
t’AMB
tAMB
t (ºC)
Figura 8 – variação da temperatura e umidade relativa do ambiente
Figura
8 –função
variação
temperatura
e umidade relativa
do ambiente
em
dadaredução
da temperatura
de insuflação
em função da redução da temperatura de insuflação
A condição de saída da serpentina de resfriamento e desumidificação é mantida
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constante e a variação da carga térmica é compensada através do dispositivo
Em sistemas onde não é possível analisar a umidade específica do ar ( A),
recomenda-se que o algoritmo de controle de umidade opere primeiramente
reaquecendo o ar de insuflação (tal como ocorre na figura 6, onde tB > tA), de
de reaquecimento.
forma
Isto certamente implica em uma demanda maior de energia, pois
há aarecuperar primeiramente a temperatura do ambiente (tAMB).
Deste modo, à medida que a temperatura do ambiente subir, a umidade relativa
necessidade de se resfriar o fluxo de ar até a condição termoigrométrica
tenderá a diminuir e, caso os parâmetros de controle de temperatura sejam