UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
FERNANDO PETRY
AVALIAÇÃO DE AMBIENTE CONDICIONADO POR CÁLCULO DE BALANÇO
TÉRMICO E SIMULAÇÃO CFD
Panambi 2012
FERNANDO PETRY
AVALIAÇÃO DE AMBIENTE CONDICIONADO POR CÁLCULO DE BALANÇO
TÉRMICO E SIMULAÇÃO CFD
Trabalho
de
conclusão
de
curso
apresentado à banca avaliadora do curso de
Engenharia
Mecânica
da
Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio
Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito
parcial
para
a
obtenção
Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1° Avaliador: Prof. Luis Antônio Bortolaia, Doutor. Eng
2° Avaliador (Orientador): Prof. Roger Schildt Hoffmann, M. Eng.
do
título
de
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter guiado meus passos até aqui. A minha
família, pela compreensão e pela força. Aos colegas de trabalho e de faculdade pelo
companheirismo e ajuda prestada em diversos momentos.
RESUMO
O presente trabalho apresenta a análise de um ambiente condicionado, cujo objetivo é
manter a temperatura do ambiente constante. Foi realizado um balanço térmico do ambiente,
levando em conta os fluxos de calor e a geração interna de calor. Depois de realizado o
cálculo do balanço térmico do ambiente, foram utilizadas as taxas de transferência de calor
obtida em cada superfície e medições de velocidade do ar como condições de contorno para
realizar simulações da movimentação do ar e de transferência de calor no interior do recinto.
Com estas simulações, buscou-se validar a metodologia, comparando os resultados com
medições realizadas no interior do ambiente estudado, bem como através de uma análise
qualitativa do campo de escoamentos. O software utilizado para realizar as simulações foi o
pacote comercial ANSYS-CFX que utiliza a metodologia de volumes finitos.
Palavras-chaves: Fluxo de calor, balanço térmico, transferência de calor, arcondicionado, volumes finitos, ANSYS-CFX.
ABSTRACT
This work presents the analysis of a conditioned environment, whose goal is to keep
the room temperature constant. It was conducted a thermal balance of the environment, taking
into account the heat fluxes and the internal heat sources. After the calculation of the heat
balance of the environment it was used the obtained rate of heat transfer on each surface and
air velocity measurements as boundary conditions for the simulations of air movement and the
heat transfer inside the enclosure. With these simulations, we sought to validate the
methodology, comparing the results with measurements taken within the environment studied,
as well as through an qualitative analysis of the flow field. The software used to perform the
simulations was the commercial package ANSYS-CFX using the finite volume method.
Key words: Heat flow, heat balance, heat transfer, air conditioning, finite volume,
ANSYS-CFX.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Condições de contorno da equação da difusão de calor na superfície (x = 0) [3]. . 17
Figura 2 – Fatores que afetam as trocas térmicas [1]. .............................................................. 19
Figura 3 – Etapas necessárias para a simulação no CFX [Autor]. ........................................... 23
Figura 4 – Detalhes da sala analisada [Autor]. ......................................................................... 26
Figura 5 – Controle da temperatura [Autor]. ............................................................................ 27
Figura 6 – Vista em 3D da sala analisada [Autor].................................................................... 28
Figura 7 – Vista da sala com as paredes laterais rebatidas [Autor]. ......................................... 29
Figura 8 – Janela com infiltração de ar [Autor]........................................................................ 32
Figura 9 – Fontes de calor analisadas [Autor]. ......................................................................... 35
Figura 10 – Figura geométrica representando o ambiente analisado [Autor]. ......................... 36
Figura 11 – Figura geométrica representando o ar contido na sala [Autor]. ............................ 37
Figura 12 – Geometria representando o ar contido na sala [Autor]. ........................................ 37
Figura 13 – Resultado da malha gerada para realização do cálculo [Autor]. ........................... 38
Figura 14 – Condições de contorno de entrada e saída do ar. A) Entrada. B) Saída [Autor]. .. 39
Figura 15 – Fluxo de calor gerado pelo computador [Autor]. .................................................. 40
Figura 16 – Fluxo de calor gerado pela pessoa [Autor]. .......................................................... 40
Figura 17 – Identificação do ponto de monitoramento da temperatura [Autor]. ...................... 41
Figura 18 – Gráfico de convergência dos cálculos da simulação [Autor]. ............................... 42
Figura 19 – Gráfico de convergência do ponto de controle da temperatura [Autor]................ 43
Figura 20 – Linhas de corrente coloridas por temperatura [Autor] .......................................... 44
Figura 21 – Direção do ar frio que entra na sala [Autor]. ........................................................ 45
Figura 22 – Troca térmica por convecção para o computador [Autor]. ................................... 46
Figura 23 – Temperatura do ar em contato com as paredes [Autor]. ....................................... 46
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Temperatura interna e externa das paredes [Autor]................................................ 28
Tabela 2 – Informações sobre a sala analisada [Autor]. ........................................................... 30
Tabela 3 – Coeficiente global de transferência de calor [Autor].............................................. 31
Tabela 4 – Calor transferido através das paredes devido à diferença de temperatura [Autor]. 31
Tabela 5 – Infiltração de ar nas aberturas [Autor]. ................................................................... 32
Tabela 6 – Variação da entalpia conforme a variação da temperatura [Autor]. ....................... 33
Tabela 7 – Calor gerado pela infiltração e renovação de ar [Autor]. ....................................... 33
Tabela 8 – Acréscimo de calor no sistema [Autor]. ................................................................. 34
Tabela 9 – Condições de fluxo de calor prescrito [Autor]. ...................................................... 41
Tabela 10 – Resultado dos cálculos realizados numericamente [Autor]. ................................. 47
LISTA DE SIGLAS
CT - Calor transferido (W).
- Massa de ar infiltrada no ambiente (kg/s)
H - Entalpia (kj/kg)
u - Energia interna (W)
P - Pressão (Mpa)
V - Volume (m³)
Fµ- Fator de utilização ou fração das lâmpadas utilizadas
F - Fator do reator das lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria dos casos [1]
FCR - Fator de carga térmica de refrigeração
A - Área superficial (m²)
∆t - Diferença de temperatura externa e interna (°C)
U - Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K).
RT*- Resistência total transferência de calor.
q - Fluxo de energia (W)
∆t - Diferença de temperatura (K)
L - Comprimento (m)
k - Condutividade térmica (W/m.K)
σ - Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K4)
Fϵ - Fator das características ópticas
FA - Fator de forma
q - Fluxo de energia (W)
∆t - Diferença de temperatura (K)
L - Comprimento (m)
k - Condutividade térmica (W/m.K)
tBS - Temperatura de bulbo seco
tBU - Temperatura de bulbo úmido
hc - Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²K)
hr - Coeficiente de transferência de calor por radiação (W/m²K)
LISTA DE ABREVIATURAS
CFD - Computational Fluid Dynamics (Dinâmica dos fluídos computacionais)
RS – Rio Grande do Sul
NBR – Norma brasileira regulamentadora
ABNT – Associação brasileira de normas técnicas
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12
1.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 13
1.1 TRANSFERÊNCIA DE CALOR E TERMODINÂMICA ......................................................... 13
1.1.1 Temperatura ...................................................................................................... 13
1.1.2 Entalpia ............................................................................................................. 13
1.1.3 Transferência de calor....................................................................................... 14
1.1.4 Resistência térmica ............................................................................................ 16
1.1.5 Condições de contorno ...................................................................................... 17
1.2 REFRIGERAÇÃO E AR-CONDICIONADO ........................................................................ 18
1.2.1 Estimativas das trocas térmicas ........................................................................ 18
1.2.2 Condições de projeto ......................................................................................... 19
1.2.3 Transmissão térmica.......................................................................................... 19
1.2.4 Geração de calor interno .................................................................................. 20
1.2.5 Cargas de ventilação e de infiltração................................................................ 21
1.3 CONCEITOS DE CFD. ................................................................................................. 22
2.
METODOLOGIA UTILIZADA. ........................................................................... 25
2.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 25
3.
CÁLCULO DOS FLUXOS TÉRMICOS .............................................................. 26
3.1 DEFINIÇÃO DO AMBIENTE .......................................................................................... 26
3.2 ESTUDO DAS CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE .......................................................... 27
3.3 DEFINIÇÃO DO AMBIENTE .......................................................................................... 29
3.4 FLUXO DE CALOR ATRAVÉS DAS PAREDES ................................................................. 30
3.5 CALOR GERADO PELA INFILTRAÇÃO E RENOVAÇÃO DE AR ......................................... 31
3.6 CALOR GERADO INTERNAMENTE................................................................................ 33
3.7 GERAÇÃO TOTAL DE CALOR ....................................................................................... 34
4.
SIMULAÇÃO DOS EFEITOS GERADOS NO AMBIENTE. ........................... 36
4.1 REPRESENTAÇÃO DA SALA ......................................................................................... 36
4.2 IMPORTAÇÃO DA GEOMETRIA .................................................................................... 37
4.3 GERAÇÃO DE MALHA ................................................................................................. 38
4.4 CONDIÇÕES DE CONTORNO E CONFIGURAÇÕES DO CÁLCULO (SETUP) ........................ 38
4.5 CÁLCULO ................................................................................................................... 42
4.6 ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................ 43
4.7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................. 47
CONCLUSÃO ................................................................................................................... 49
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................... 50
ANEXO I ........................................................................................................................... 51
INTRODUÇÃO
A crescente utilização de sistemas de ar condicionado para a refrigeração de ambientes
visando manter padrões mínimos de conforto para os usuários tem gerado um acréscimo
significativo do consumo de energia elétrica. Esse aumento pode causar sobre carga nos
sistemas de geração de energia e por consequência falhas no abastecimento.
Em virtude disso, é muito importante dimensionar de forma correta o sistema de
refrigeração ou ar-condicionado para evitar o desperdício de energia.
Este trabalho apresenta a análise de um ambiente refrigerado e tem como objetivo
demonstrar os principais fatores que influenciam na elaboração de um projeto de sistema de
ar-condicionado. Além disso, será simulado o campo de escoamento gerado pela
movimentação do ar dentro do ambiente, levando em consideração o fluxo de calor calculado.
13
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Transferência de calor e termodinâmica
O condicionamento de um ambiente, e consequentemente o resfriamento dos corpos
nele contidos, bem como o ambiente em si, exige a remoção de calor dele e dos corpos que
estão em seu interior. O calor é uma forma de energia e não pode ser destruída. Por isso,
quando um corpo é resfriado, estamos transferindo calor de um corpo a outro.
Para trabalhar nesta área são necessários bons conhecimentos de transferência de calor
e termodinâmica, por isso, é necessária uma revisão dos principais conceitos.
1.1.1 Temperatura
A temperatura é uma propriedade termodinâmica. É ela que indica o estado térmico de
uma substância. As principais escalas para a medição de temperatura são Celsius e Kelvin.
A escala Celsius tem como referência o ponto de solidificação e de ebulição da água
no nível do mar, sendo 0°C e 100°C respectivamente, a 1 atmosfera de pressão. A escala
Kelvin também conhecida como temperatura absoluta tem como referência o zero absoluto.
Este valor convertido para Celsius é de -273,15°C.
Existem duas formas de medir a temperatura:
- Temperatura de bulbo seco (tBS): É a temperatura indicada por um termômetro
comum, não exposto a radiação. É a verdadeira temperatura do ar [8].
- Temperatura de bulbo úmido (tBU): É a temperatura indicada por um termômetro cujo
bulbo foi previamente envolto por algodão úmido, tão logo seja atingido o equilíbrio térmico
[8].
1.1.2 Entalpia
A entalpia é uma grandeza física definida no âmbito da termodinâmica. É encontrada
quando a transferência de calor durante um determinado processo pode ser definida como a
variação energia interna somada a pressão vezes o volume entre os estados inicial e final.
Neste caso todos os elementos são propriedades termodinâmicas em função apenas do estado
do sistema. Sendo assim, a combinação destes elementos sempre será igual para as mesmas
condições. A equação 1 descreve a entalpia [9].
14
= + (1)
Onde:
H = Entalpia (kJ)
U = Energia interna (kJ)
P = Pressão (Pa)
V = Volume (m³)
1.1.3 Transferência de calor
A transferência de calor é um fenômeno que ocorre quando uma substância com uma
temperatura mais elevada transfere calor para uma substância com uma temperatura inferior.
A transferência de calor sempre ocorre da maior temperatura para a menor.
A transferência de calor pode ocorrer por condução, convecção ou radiação, sendo que
os três processos dependem da temperatura e dos objetos envolvidos.
1.1.3.1 Condução
O calor é transferido de uma molécula para a outra em um sólido. O calor transferido é
proporcional à área da superfície e inversamente proporcional ao comprimento. Fourier
descreve a equação de condução como uma relação entre a condutividade térmica, a área da
superfície e a diferença de temperatura, ambas divididas pelo comprimento [1]. Conforme
mostrado na equação 2.
A condutividade térmica é a principal característica que influência a condução do
calor. Está diretamente ligada a estrutura molecular dos sólidos, sendo que quanto mais
compacta e alinhada é a estrutura molecular maior será a capacidade de conduzir calor.
= −
∆
Onde:
q = Calor transferido (W)
∆t = Diferença de temperatura (K)
L = Comprimento (m)
k = Condutividade térmica (W/m.K)
(2)
15
A = Área da superfície (m²)
1.1.3.2 Radiação
A transferência de calor por radiação se dá como resultado do deslocamento de fótons
de uma superfície para a outra. Quando estes fótons atingem uma superfície podem ser
absorvidos, refletidos ou transmitidos [1].
A energia irradiada por uma superfície é definida como poder emissivo da superfície,
sendo que é proporcional a quarta potência da temperatura absoluta.
A radiação irradiada por uma superfície é definida em termos do seu poder emissivo,
sendo influênciada principalmente pelo posicionamento geométrico das superfícies e as
características ópticas como emissividade, absortância, transmissividade e refletividade.
A forma geral do cálculo da transferência de calor por radiação é dada pela equação 3.
= σ F (T − T )
(3)
Onde:
σ = Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K4)
Fϵ = Fator das características ópticas
FA = Fator de forma
T1 = Temperatura da superfície (K)
T2 = Temperatura da vizinhança (K)
A temperatura T1 é da superfície do corpo que está exposto à radiação. A temperatura
T2 é do ambiente em torno do corpo que está sendo analisado.
1.1.3.3 Convecção
A transferência por convecção depende de um fluído em contato com a superfície de
um sólido e da velocidade do fluído.
O coeficiente de transferência de calor por convecção depende da velocidade do fluído
e das propriedades geométricas da superfície. O cálculo pode ser realizado utilizando a
equação 4.
16
= h Δt
(4)
Onde:
q = Calor transferido (W)
∆t = Diferença de temperatura (K)
hc = Condutividade térmica (W/m².K)
1.1.4 Resistência térmica
A resistência térmica de um corpo é a resistência que o mesmo oferece a transferência
de calor por condução, convecção e radiação.
As equações para o cálculo de condução e convecção são lineares em termos de
condutância, área e diferença de temperatura, porém, a radiação não é linear na temperatura.
Assim pode-se considerar para efeitos de cálculo uma linearização da equação da
transferência de calor por radiação, considerando que as variações das temperaturas absolutas
não são significativas.
ℎ =
!"# $% (&(' )&(* )
+' )+*
(5)
Neste caso hr representa uma função linear da temperatura e pode-se montar uma
equação linearizada para a transferência de calor por radiação.
= h Δt
(6)
Assim a taxa de transferência total é dada pela equação 7.
∆./0123çã0
= ,ℎ ∆./01456çã0
ℎ ∆.78298çã0
(7)
Fazendo uma analogia com a lei de Ohm onde a corrente é dada pela diferença de
potência dividida pela resistência podemos equacionar a resistência térmica.
17
7+∗ = ∆+
;
(8)
Onde:
RT* = Resistência total transferência de calor.
1.1.5 Condições de contorno
A determinação da distribuição da temperatura em um meio depende das condições
físicas existentes nas fronteiras do meio, da variação da situação no tempo e das condições
existentes no meio em algum instante inicial. Como a equação do calor é de segunda ordem
em relação às coordenadas espaciais, duas condições de contorno devem ser fornecidas para
cada coordenada espacial necessária para descrever o sistema. Como a equação é de primeira
ordem em relação ao tempo, apenas a condição inicial deve ser observada. A figura 1
apresenta os três tipos de condições de contorno normalmente encontrados. Estas condições
são especificadas na superfície x = 0, para um sistema unidimensional [3].
Figura 1 – Condições de contorno da equação da difusão de calor na superfície (x = 0) [3].
Na primeira condição a superfície é mantida com um valor fixo. É comumente
chamada de condição de contorno de primeira espécie. Na segunda condição ocorre um fluxo
térmico fixo ou constante na superfície. É conhecida como uma condição de contorno de
segunda espécie. Um caso específico desta condição é quando a superfície é perfeitamente
18
isolada, ou adiabática.
A condição de contorno de terceira espécie corresponde a um
aquecimento ou resfriamento por convecção na superfície.
1.2 Refrigeração e ar-condicionado
Um projeto de ventilação, refrigeração ou condicionamento tem o objetivo de manter
as condições internas de um ambiente sob controle, visando atender as condições necessárias
para operação ou para manter as características de conforto para quem utiliza o ambiente. Um
projeto bem dimensionado consegue atender estes requisitos aliado a um baixo consumo de
energia. Para executar um trabalho de refrigeração de um ambiente é importante realizar os
seguintes estudos:
•
Avaliação das normas de refrigeração e ar condicionado para definir os valores de
projeto para ventilação e temperatura que atendam os critérios de conforto térmico.
•
Cálculo do fluxo térmico que afeta o ambiente.
•
Definição das condições iniciais de projeto baseadas no clima da região onde o
estudo está sendo realizado, aspectos geométricos, orientação e na necessidade de
refrigeração do ambiente.
Os principais conceitos para realizar estes estudos serão revisados a seguir.
1.2.1 Estimativas das trocas térmicas
A transferência de calor através das paredes de um ambiente depende do material, do
formato e da orientação das paredes e de fatores climáticos.
Para realizar um projeto confiável, cada uma dessas variáveis deve ser calculada para
se chegar a um sistema de refrigeração eficiente, que possa compensar a variação de
temperatura que ocorre internamente.
O método para o cálculo baseia-se na definição sistemática dos quatro fatores que
afetam as trocas térmicas [1].
•
Transmissão: Transferência de calor devido à diferença de temperatura por meio
do componente ou elemento do edifício.
•
Solar: Transferência de energia solar através de um componente do edifício que
seja transparente, ou absorção dessa energia por um componente opaco.
•
Infiltração: Perda ou ganho de calor pela infiltração de ar externo no recinto
condicionado.
19
•
Geração interna: Resultante da liberação de energia no interior do recinto (luzes,
pessoas, equipamentos, etc.).
A figura 2 apresenta de forma esquemática os fatores que afetam as trocas térmicas em
um ambiente.
Figura 2 – Fatores que afetam as trocas térmicas [1].
1.2.2 Condições de projeto
Condições de projeto especificadas para cálculos. Para aquecimento normalmente é
considerada uma temperatura interna entre 20 a 22°C, enquanto que para resfriamento é
considerado uma temperatura que varia entre 24 e 26°C. Outro parâmetro importante é a
unidade relativa do ar, que deve ter um mínimo de 30% no inverno e um máximo de 60% no
verão [1].
Para o cálculo de refrigeração, as condições de projeto especificadas são a temperatura
de bulbo seco, a umidade relativa do ar e a intensidade máxima de radiação solar. Esta última
é relativamente difícil de especificar com precisão, pois depende da posição geográfica, da
orientação e tem valores que variam no tempo.
1.2.3 Transmissão térmica
O cálculo geral para a taxa de transferência de calor através de uma parede pode ser
obtida pela equação abaixo
= UΔt
(9)
20
Onde:
U = Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K).
A = Área superficial (m²)
∆t = Diferença de temperatura externa e interna (°C)
O valor do coeficiente global de transferência de calor depende das resistências
térmicas dos materiais. Os valores de resistência para 1 m² para algumas dos principais
materiais utilizados em construções são tabelados [1].
O valor do coeficiente global de transferência de calor é dado pela equação 10.
=
<=>=
(10)
1.2.4 Geração de calor interno
A geração de calor dentro do ambiente pode ser bastante significativa no
dimensionamento do sistema de refrigeração ou ar-condicionado. Podem ser consideradas
como principais fontes de geração de calor a iluminação, as pessoas que frequentam o
ambiente e os equipamentos utilizados.
Para o caso da iluminação, o calor gerado depende da potência, do tipo de conexão
elétrica utilizada e do fator de utilização das lâmpadas. A energia resultante das lâmpadas na
forma de radiação é inicialmente absorvida pelas paredes, piso e mobília do ambiente,
fazendo com que ocorra um aumento da temperatura superficial. Assim o calor trocado com o
ambiente por convecção também aumenta passando a constituir uma fonte de calor para o
sistema de ar condicionado. Em virtude da massa dos componentes que absorvem a radiação
ocorre um retardamento entre o instante em que as luzes são acesas e o momento em que isso
se torna uma carga para o sistema. O mesmo ocorre após apagar as luzes, o fluxo de calor
continua por algum tempo. O cálculo estimado do calor gerado relaciona os fatores
mencionados acima.
/. = (?0@5169810918A)(B)(C)(/7)
Onde:
Potência nominal = Potência das lâmpadas [W]
(11)
21
Fµ= Fator de utilização ou fração das lâmpadas utilizadas [ - ]
Fr= Fator do reator das lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria dos casos [1]
FCR = Fator de carga térmica de refrigeração [ - ]
Para outros equipamentos que dissipem energia é necessário estimar a potência e o
fator de utilização. Para equipamentos que dissipem pouca energia o FCR deve ser
considerado como 1,0.
A carga térmica gerada pelos ocupantes do ambiente é dividida em duas partes e
ambas relacionadas ao número de pessoas e a atividade exercida. A carga térmica sensível
recebida por ocupante é dada pela equação 12, onde o FCR é tabelado e considera o tempo de
permanência no ambiente [1]. Para o cálculo da carga térmica latente o FCR é considerado
como 1 [1].
/. = (68A0CC565D920?0C063?81@5)(númerodepessoas)(/7)
(12)
1.2.5 Cargas de ventilação e de infiltração
A infiltração é definida como a penetração não controlada de ar externo no ambiente,
sendo resultante de “forças naturais” como o vento e o empuxo gerado pela diferença de
temperaturas.
A NBR 6401 apresenta uma tabela com os valores médios de infiltração de ar para
portas e janelas.
A ventilação ou renovação de ar é outra interferência a ser considerada nos cálculos.
Os valores de renovação de ar são normatizados e são definidos principalmente em função da
atividade exercida no ambiente e do número de pessoas. Outro fator determinante é se existem
pessoas fumantes no ambiente.
Para calcular a carga térmica gerada pelo ar de infiltração ou de renovação pode ser
utilizada a equação13.
/.NOP = . (ℎ − ℎ )
Onde:
CTinf = Carga térmica gerada pela infiltração de ar (W).
= Massa de ar infiltrada no ambiente (kg/s)
(13)
22
h = Entalpia (kJ/kg)
1.3 Conceitos de CFD.
O CFD (Computational Fluid Dynamics), ou dinâmica dos fluídos computacional é
uma ferramenta que utiliza o computador para simular o comportamento de sistemas que
envolvem escoamento de fluídos. Funciona a partir da resolução das equações do fluxo do
fluído e da equação do calor sobre uma região definida.
As equações utilizadas para analisar o escoamento de um fluído são conhecidas como
equações de Navier-Stokes, que embora tenham solução analítica conhecida, podem ser
discretizadas e resolvidas numericamente. A forma geral dessas equações é apresentada
como:
(14)
Para análise da transferência de calor a equação utilizada é conhecida como equação
do calor. Essa equação é a ferramenta básica para análise da condução do calor. A partir da
sua solução podemos obter a distribuição das temperaturas nos três eixos (x, y, z).
T RS U + RV T RVU + RW T RW U + = X6Y R
RS
R
R+
R
R+
R
R+
R+
(15)
Existem vários métodos numéricos de resolução para estas equações, sendo que o
utilizado pelo software ANSYS-CFX é o de volumes finitos. Neste caso, o sistema é dividido
em pequenos volumes onde as equações são aplicadas. Dessa forma é possível chegar a um
resultado por aproximação em geometrias complexas que não poderiam ser resolvidas
analiticamente. No método dos volumes finitos a conservação de massa é garantida pela
convergência do cálculo.
Pelo principio da conservação da massa, a massa dentro de um volume de controle é
constante.
23
Z[
Z
=0
(16)
Onde:
M = Massa do sistema (kg).
t = Tempo (s)
A equação da conservação da massa para o volume de controle é dada pela equação
17.
0 = R ]^ X2 + ]_` X2
R
(17)
O primeiro termo após o sinal de igualdade representa a taxa de variação de massa
dentro do volume de controle. O segundo termo representa a taxa de fluxo de massa ou vazão
em massa através da superfície de controle. A conservação de massa exige que a soma da taxa
de variação de massa dentro do volume de controle com a taxa liquida de fluxo de massa
através da superfície de controle seja nula [4].
Estas equações são utilizadas pelo ANSYS CFX para análise de sistemas que
envolvam movimentação de fluídos.
Para executar uma simulação utilizando o CFX é necessário executar cinco etapas
conforme mostrada na figura 3:
Figura 3 – Etapas necessárias para a simulação no CFX [Autor].
•
Geometria (geometry): Nesta etapa a geometria do sistema a ser analisado deve
ser gerada. Para isso o CFX tem uma plataforma para desenho em 3D. Outra
24
forma de gerar a geometria do sistema é fazer o desenho em outro programa como,
por exemplo, o SOLID EDGE ou SOLID WORKS.
•
Malha (mesh): Nesta etapa o sistema é discretizado em volumes formando assim
uma malha. Cada um destes volumes será calculado pelo programa com base em
informações dos volumes adjacentes, ou de condições de contorno prescritas. Para
obter resultados mais precisos é necessário gerar uma malha mais refinada. Podese também, gerar uma malha refinada somente nos pontos do sistema em estudo
onde se deseja uma maior precisão nos resultados.
•
Preparação (setup): Nesta etapa as condições de contorno, propriedades dos
materiais e substâncias, e todas as informações relativas à execução são
informadas no sistema para que o programa possa realizar os cálculos.
•
Solução (solution): É o módulo de execução e controle da simulação com as
condições programadas na etapa anterior. O CFX vai realizando os cálculos e pode
gerar gráficos que mostram o resíduo (erro relativo) de cada iteração,
monitoramento de variáveis, e até mesmo alterar alguns parâmetros durante a
execução dos cálculos.
•
Resultados (results): O CFX apresenta o resultado dos cálculos. É necessária a
realização de uma configuração para se apresentar os resultados específicos de
determinada variável em cada região de interesse no sistema estudado. É possível
apresentar os resultados específicos para variáveis tais como, velocidade,
temperatura e pressão.
25
2. METODOLOGIA UTILIZADA.
2.1 Introdução
A metodologia empregada neste trabalho apresenta técnicas de cálculo analítico para
definição dos fluxos de calor, a utilização dos softwares SOLID EDGE e SOLID WORKS
para representação em 3D do ambiente estudado e utilização do módulo CFX que roda na
plataforma do software ANSYS para simular o escoamento gerado pela movimentação do ar
dentro do ambiente, levando em consideração os fluxos de calor calculados.
O trabalho foi dividido em etapas progressivas, as quais são descritas abaixo.
•
Definição do ambiente e estudo das características.
•
Cálculo analítico dos fluxos de calor do ambiente conforme orientação da NBR
6401.
•
Comparativo dos resultados com o ambiente real.
•
Desenho em 3D com o auxilio dos programas SOLID EDGE e SOLID WORKS
do ambiente estudado
•
Simulação das reações geradas no ambiente com o auxilio do software ANSYS
CFX.
•
Análise dos resultados das simulações.
26
3. CÁLCULO DOS FLUXOS TÉRMICOS
3.1 Definição do ambiente
Para a realização do trabalho foi escolhida uma sala de aferição de instrumentos de
medição a qual necessita de uma temperatura interna constante de 20°C. Esta sala está
localizada na empresa Kepler Weber, situada no município de Panambi – RS. A sala contem
uma bancada com dispositivo computadorizado para aferição de trenas (A), uma mesa onde
está instalado um medidor de dureza (B), uma bancada utilizada para medição de peças (C),
uma base plana de mármore (D) e um armário para armazenamento de instrumentos de
medição (E). Na sala trabalha somente um técnico de metrologia. A sala pode ser visualizada
na figura 4.
Figura 4 – Detalhes da sala analisada [Autor].
O ambiente possui um sistema de refrigeração controlado por sensores que mantém a
temperatura com uma tolerância de 1°C. A figura 5 apresenta um mostrador indicando a
temperatura da sala.
27
Figura 5 – Controle da temperatura [Autor].
Este ambiente foi selecionado por apresentar as principais variáveis utilizadas nos
cálculos de fluxo térmico. Outro ponto relevante na escolha foi à relativa simplicidade do
ambiente o que facilita a simulação dos dados calculados, e também devido a este já possuir
um sistema instalado e dimensionado para uma situação que requer uma temperatura exata,
por isto podendo ser um parâmetro de comparação para a metodologia de cálculos empregada.
3.2 Estudo das características do ambiente
O ambiente apresenta uma parede com duas janelas duplas, orientado para o leste e
exposto a área externa do prédio. Esta parede foi nomeada como P1. Nesta parede encontramse a entrada do ar condicionado e a saída de ar. As paredes, P2, P3 e P4 estão expostas a um
ambiente interno refrigerado com temperatura constante em torno de 22°C. A parede P2
possui uma janela com vidro simples e uma porta de madeira. As demais paredes não foram
analisadas. A figura 6 apresenta o ambiente estudado.
28
Figura 6 – Vista em 3D da sala analisada [Autor].
A tabela 1 apresenta os valores de temperatura interna e externa para as paredes
indicadas na figura.
Tabela 1 – Temperatura interna e externa das paredes [Autor].
Parede
Temperatura
Temperatura
interna
externa
Observações
Parede P1
Controlada em 20 °C Calculada em 34 °C
Fronteira com ambiente externo
Parede P2
Controlada em 20 °C Controlada em 22 °C
Fronteira com sala refrigerada
Parede P3
Controlada em 20 °C Controlada em 22 °C
Fronteira com sala refrigerada
Parede P4
Controlada em 20 °C Controlada em 22 °C
Fronteira com sala refrigerada
A temperatura externa da parede 01 foi considerada a temperatura de bulbo seco para a
cidade de Porto Alegre – RS [2].
29
Ambas as paredes são fabricadas de tijolo comum com aproximadamente 150 mm de
espessura. Para a cobertura também foi considerado como sendo de tijolo comum com 150
mm de espessura.
Este ambiente está localizado na cidade de Panambi, situada na região noroeste do
estado do Rio Grande do Sul.
3.3 Definição do ambiente
Para a realização do cálculo do fluxo térmico o ambiente foi dividido em partes. Cada
uma das partes foi identificada conforme mostrado na figura 7.
Figura 7 – Vista da sala com as paredes laterais rebatidas [Autor].
A tabela 2 apresenta as informações relevantes de cada uma das partes analisadas da
sala.
30
Tabela 2 – Informações sobre a sala analisada [Autor].
Sigla Descrição
A1
Área da parede P1.
Dimensões
(em metros)
6x3
Espessura Área
Observações
0,15 m
Parede de tijolo comum.
18 m²
Área das janelas
A2
A3
localizadas na
Vidros duplos com 13 mm de
2,73 x 1,1
----
3,01 m²
espaçamento e 6 mm de
parede P1.
espessura.
Área ocupada pela
Não considerado nos cálculos
entrada e saída do
2,4 x 0,2
----
0,48 m²
ar condicionado.
como área com geração de
fluxo térmico.
A4
Área da parede p2.
4x3
0,15 m
12 m²
Parede de tijolo comum.
A5
Área da janela
1,6 x 1,0
----
1,6 m²
Janela com vidro simples com
localizada na
6 mm de espessura.
parede P2.
A6
Área da porta
2,1 x 1,2
----
2,52 m²
Porta de madeira dura.
localizada na
parede P2.
A7
Área da parede P3.
6x3
0,15 m
18 m²
Parede de tijolo comum.
A8
Área da parede P4.
4x3
0,15 m
12 m²
Parede de tijolo comum.
A9
Área da laje.
6x3
0,15 m
24 m²
A10
Área do piso.
6x3
0,20 m
24 m²
Considerado como parede de
tijolo comum.
Piso com revestimento
cerâmico.
3.4 Fluxo de calor através das paredes
Para as paredes, janelas e a porta foram calculadas a transferência de calor gerada pela
diferença de temperatura. Os coeficientes globais de transferência de calor para as situações
apresentadas foram calculados com base na tabela de resistência térmica apresentada no
capítulo 4 da referência 1. A tabela 3 apresenta os valores calculados.
31
Tabela 3 – Coeficiente global de transferência de calor [Autor].
Material
Resistência
Espessura da
térmica (m.K/W)
parede (m)
Coeficiente global de
transferência de calor
(W/m².K)
Tijolo comum
0,76
0,15
UT = 8,77
Madeira dura
----
----
UM = 6,31
Vidro simples
----
----
UVs = 5,90
----
----
UVd = 3,20
Vidros duplos com
13mm de espaçamentos
e 6mm de espessura
A equação 9 foi utilizada para calcular a fluxo térmico resultante da diferença de
temperatura nas paredes, janelas e porta. A tabela 4 apresenta os cálculos.
Tabela 4 – Calor transferido através das paredes devido à diferença de temperatura [Autor].
Sigla
CTA1
CTA2
CTA4
CTA5
CTA6
CTA7
CTA8
CTA9
Formula
Resultado
CT = + ( − − Ac )(Te − Ti)
1783 W
CT = ^Z ( )(Te − Ti)
135 W
CT = + ( − e − Af )(Te − Ti)
138 W
CTe = ^g (e )(Te − Ti)
19 W
CTf = [ (f )(Te − Ti)
1W
CTh = + (h )(Te − Ti)
316 W
CTj = + (j )(Te − Ti)
3327 W
CTi = + (i )(Te − Ti)
211 W
TOTAL
5930 W
3.5 Calor gerado pela infiltração e renovação de ar
Os valores de infiltração média de ar utilizados nos cálculos foram retirados da norma
brasileira para projeto e instalação de sistemas de ar condicionado NBR6401.
O ar de infiltração é calculado com base no tamanho da fresta de entrada de ar. O
tamanho da fresta para a porta foi considerado como o perímetro da porta. A janela localizada
na parede P2 e a janela pequena localizada na parede P1 não foram consideradas porque são
32
fixas e bem vedadas. Na janela maior localizada na parede P1 foram considerados como fresta
para a entrada de ar os pontos destacados na figura 8.
Figura 8 – Janela com infiltração de ar [Autor].
O valor recomendado para o ar de renovação é de 27 m³/h conforme portaria do
ministério da saúde publicada em 1998 (Portaria 3523) [10]. A tabela 5 apresenta a infiltração
de ar na sala.
Tabela 5 – Infiltração de ar nas aberturas [Autor].
Tipo de abertura
Janela comum
Porta bem ajustada
Infiltração média por
metro de fresta
Tamanho da fresta
Infiltração de ar
3 m³/h
3,3 m
2,75 l/s
6,5 m³/h
6,6 m
11,92 l/s
Para o cálculo do calor gerado pela infiltração de ar, utiliza-se a equação 13. A tabela
6 apresenta os valores de entalpia e volume específico e o cálculo da densidade do ar em
quilogramas por litro.
33
Tabela 6 – Variação da entalpia conforme a variação da temperatura [Autor].
Temperatura
Entalpia (kJ/kg)
Volume específico (m³/kg)
Densidade (kg/l)
20 °C
57,544
0,8498
0,001177
22 °C
64,646
0,8583
0,001165
34 °C
122,968
0,9182
0,001089
Assim, o cálculo do calor gerado é uma relação entre a densidade e o volume de ar
infiltrado multiplicado pela diferença de entalpia conforme mostrado na tabela 7.
Tabela 7 – Calor gerado pela infiltração e renovação de ar [Autor].
Sigla
CTJi
CTPi
CTR
Formula
Resultado
CTnl = (ℎm − ℎN )
196 W
CTkl = (ℎm − ℎN )
CTo = (ℎm − ℎN )
99 W
534 W
TOTAL
829 W
3.6 Calor gerado internamente
O calor gerado no interior do ambiente pode ser proveniente da iluminação, dos
equipamentos que dissipem energia ou de pessoas. No ambiente considerado para os cálculos
temos as três fontes gerando calor.
Para o cálculo do calor gerado pela iluminação e pelos equipamentos foi utilizada a
equação 11.
A sala possui 24 luminárias com potência de 60 W. Como as lâmpadas ficam ligadas
24 horas por dia o fator de utilização é um. As lâmpadas são instaladas embutidas na parede e
não tem ventilação, por isso o fator de carga térmica de refrigeração (FCR) para a situação é
de 0,85 [1]. O fator do reator das lâmpadas foi considerado como 1,2 [1]. O calor total gerado
pela iluminação segue:
= (?0@5169810918A)(B)(C)(/7) = (24x60)(1)(1,2)(0,85) = 1467W
Para o cálculo calor gerado pela potência de 240 W dissipada do computador, foi
considerado como fator de utilização 0,5. O fator do reator e o fator de carga térmica de
refrigeração foram considerados como 1.
34
= (?0@5169810918A)(B)(C)(/7) = (240)(0,5)(1)(1) = 120W
A geração de calor das pessoas que utilizam o ambiente é dividida em duas partes,
geração de calor latente e sensível. Para o cálculo, o calor liberado por pessoa em trabalho em
escritório é de 150 W[1]. O fator de carga térmica máximo para calor sensível, considerando
10 horas no ambiente de trabalho é de 0,89[1]. O fator de carga térmica para calor latente é
1,0 [1].
O calor total gerado é dado pela equação 12.
Geração de calor sensível:
/. = (68A0C?0C063?81@5)(númerodepessoas)(/7) = 150x1x0,89 = 133,5W
Geração de calor latente:
/. = (68A0C?0C063?81@5)(númerodepessoas)(/7) = 150x1x1 = 150W
3.7 Geração total de calor
A geração total de calor para o ambiente é o somatório de todas os valores parciais. A
tabela 8 apresenta este somatório.
Tabela 8 – Acréscimo de calor no sistema [Autor].
Descrição
Resultado
Geração de calor por condução das paredes
5930 W
Geração de calor pela infiltração e renovação de ar
829 W
Calor gerado pela iluminação
1467 W
Calor gerado pelos equipamentos elétricos
120 W
Calor gerado pelas pessoas
283,5 W
TOTAL
8629,5 W
A figura 9 apresenta em forma de gráfico o calor gerado por diferentes fontes que tem
influência no ambiente.
35
Figura 9 – Fontes de calor analisadas [Autor].
Pode-se perceber que o calor gerado pela condução das paredes é mais significativo
com aproximadamente 69% do total. O calor gerado pela iluminação vem logo na sequência
com aproximadamente 17% do total. Para o caso analisado, a infiltração de ar e o ar de
renovação apresentam uma um ganho térmico no sistema de aproximadamente 10% do calor
total. Para os equipamentos e as pessoas, o valor ficou bem baixo devido ao pequeno número
presente no ambiente.
36
4. SIMULAÇÃO DOS EFEITOS GERADOS NO AMBIENTE.
4.1 Representação da sala
A simulação dos efeitos gerados pela transferência de calor e pela movimentação do ar
dentro do ambiente foi realizada com o auxilio do software CFX que roda em cima da
plataforma do ANSYS.
Para esta simulação foi necessário reproduzir a sala com as paredes, aberturas e
moveis, conforme pode ser visualizado na figura 10.
Figura 10 – Figura geométrica representando o ambiente analisado [Autor].
Após, foi gerada uma nova geometria representando o ar contido dentro da sala.
Conforme pode ser visto na figura 11.
37
Figura 11 – Figura geométrica representando o ar contido na sala [Autor].
A partir desta geometria foram simuladas a movimentação do ar e as trocas térmicas
ocorridas dentro do ambiente.
4.2 Importação da geometria
Foi importado para o módulo de desenho do CFX a figura geométrica que representa o
ar contido na sala. Para isso, a representação do ar foi criada e salva como um arquivo de
conversão no SOLID EDGE e importado diretamente para o CFX.
Este procedimento foi utilizado devido à dificuldade de gerar desenhos complexos no
módulo de desenho do ANSYS. A figura 12 mostra a conclusão da importação da geometria.
Figura 12 – Geometria representando o ar contido na sala [Autor].
38
4.3 Geração de malha
Tomou-se cuidado na geração de malha por questão de capacidade computacional. A
malha foi refinada somente em alguns pontos, como a entrada e a saída do ar e a parede P01.
A malha final apresentou 276.352 elementos. A figura 13 apresenta o resultado da
malha gerada.
Figura 13 – Resultado da malha gerada para realização do cálculo [Autor].
4.4 Condições de contorno e configurações do cálculo (Setup)
Na terceira etapa foram configuradas a entrada e saída do ar e os fluxos de calor
encontrados do sistema.
Para a condição de contorno da entrada de ar, foi utilizada uma medida de temperatura
na entrada do sistema real, utilizando-se um termômetro infravermelho profissional, modelo
DT-530, marca Tianjin Cheerman (ver anexo I). A temperatura encontrada ficou em 10°C.
Também foi utilizada uma vazão de massa encontrada conforme segue:
39
= `+
Y∆+
=
i,fje
,}}f(c)})
= 0,613~/€
Onde:
= 8ã0258C(~/€)
CT = Ganho térmico total (kW)
cp = Calor específico a pressão constante do ar seco (kJ/kg.K)
Para o cálculo foi considerado o valor de cp como 1,006 kJ/kg.K, embora o calor
específico varia de 1,006 a uma temperatura de 0°C a 1,009 a temperatura de 50°C[1].
A condição de saída de ar foi considerada com uma pressão estática de referência
uniforme.
A figura 14 mostra a posição da entrada e a saída de ar do sistema.
Figura 14 – Condições de contorno de entrada e saída do ar. A) Entrada. B) Saída [Autor].
A transferência de calor das paredes, o calor gerado pela iluminação, pelo computador
e pela pessoa que trabalha no ambiente foram configuradas como segue.
O fluxo de calor gerado pelo computador foi distribuído sobre uma superfície de 0,16
m². A figura 15 mostra essa distribuição.
40
Figura 15 – Fluxo de calor gerado pelo computador [Autor].
O fluxo de calor gerado pela pessoa que ocupa o ambiente foi distribuído sobre uma
superfície de 0,1 m². Está superfície está localizada na frente da bancada de aferição e foi
utilizada por ser próxima do ponto onde a pessoa normalmente trabalha. Esta superfície pode
ser visualizada na figura 16.
Figura 16 – Fluxo de calor gerado pela pessoa [Autor].
A tabela 9 apresenta os valores de fluxos de calor configurados em cada uma das
superfícies.
41
Tabela 9 – Condições de fluxo de calor prescrito [Autor].
Sigla Localização
Fluxo de calor (W/m²)
A1
Parede P1
122,80
A2
Janelas localizadas na parede P1
44,80
A4
Parede P2
17,54
A5
Janela localizada na parede P2
11,80
A6
Porta localizada na parede P2
0,32
A7
Parede P3
17,54
A8
Parede P4
17,54
A9
Superfície superior (cobertura)
122,80
A9
Iluminação distribuída pela superfície
61,2
superior
A11
Computador
750,0
A12
Pessoa
567,0
Também foi configurado um ponto de controle da temperatura para monitoramento
durante o cálculo, para observar a convergência. Este ponto está localizado exatamente no
centro da sala a uma altura de 1,5 metros. A figura 17 mostra o ponto escolhido.
Figura 17 – Identificação do ponto de monitoramento da temperatura [Autor].
42
Os pontos onde os móveis estão em contato com a parede foram considerados como
condição de contorno de segunda espécie, tendo fluxo de calor nulo, ou seja, isolamento
térmico. As paredes foram consideradas como condição de contorno de segunda espécie com
fluxo térmico constante.
A gravidade foi configurada como 9,81 m/s² no eixo Y negativo conforme figura 20.
4.5 Cálculo
Após todas as configurações estarem concluídas foi rodado o programa para realização
dos cálculos. Os primeiros resultados apresentaram valores para a temperatura das paredes
muito elevados, pois no cálculo não estava sendo levada em consideração a radiação térmica.
Para melhorar esta condição, foi configurado novo cálculo considerando a radiação térmica
com a opção “discrete transfer”. Com essa configuração os valores encontrados para a
temperatura das paredes ficaram mais próximos da realidade. A figura 18 apresenta o gráfico
de convergência dos cálculos.
Figura 18 – Gráfico de convergência dos cálculos da simulação [Autor].
43
O ponto de controle que foi configurado apresentou uma temperatura de convergência
de 288 K. A figura 19 apresenta o gráfico de convergência do ponto de controle estabelecido,
sendo que o eixo das ordenadas representa a temperatura em graus Kelvin.
Figura 19 – Gráfico de convergência do ponto de controle da temperatura [Autor].
4.6 Análise dos resultados
A última etapa da simulação foi a configuração para apresentação dos dados
calculados.
A figura 20 mostra as linhas de corrente coloridas por temperatura, partindo da
entrada.
44
Figura 20 – Linhas de corrente coloridas por temperatura [Autor]
Pode-se observar na figura que a temperatura obteve variação de 283 a 296,2K. A
maior temperatura está localizada na parte superior da sala próxima a área de saída do ar. Este
fato ocorre por que na saída o ar está carregando todo o calor removido do ambiente.
Outros dois fatores ajudam a explicar essa temperatura maior no alto da sala. Um deles
é a fato de que a geração de calor de iluminação e pela transferência de calor através da
cobertura são elevadas. O outro fator é que o ar mais quente sempre tende a subir devido à
redução de densidade, e o efeito de gravidade estava sendo levado em conta nos cálculos.
Observando a movimentação do ar, podemos notar que o ar frio da entrada de ar acaba
sendo direcionado para o espaço entre o armário e a parede, conforme mostrado na figura 21,
e desce até o chão, somente após isso é que se distribui pelo ambiente.
45
Figura 21 – Direção do ar frio que entra na sala [Autor].
Na figura 22 podemos ver as linhas de corrente de ar que partem da superfície do
computador, podendo avaliar como ocorre à dissipação de calor do computador no ambiente.
Esta imagem foi gerada com a intenção de avaliar a transferência do calor inserido no
sistema pelo computador que é a fonte de calor mais concentrada no ambiente.
Pode-se perceber que a temperatura próxima ao computador está elevada. Embora a
simulação indique isso, este valor não é real. Isso ocorre por que a área de dissipação de calor
é muito pequena, e toda a potência do computador está sendo dissipada apenas nesta
superfície. Dessa forma é feita uma compensação na temperatura, de forma que o fluxo de
calor prescrito seja respeitado.
46
Figura 22 – Troca térmica por convecção para o computador [Autor].
A figura 23 apresenta o campo de temperaturas encontradas nas paredes do domínio.
Figura 23 – Temperatura do ar em contato com as paredes [Autor].
47
A temperatura mais alta encontrada é de 59,8°C. Este valor não é real e pode ser
explicado devido a um ponto de recirculação do escoamento de ar já aquecido pelo ambiente.
Também pelo fato da condição de fluxo prescrito calcular as temperaturas pontuais de forma a
manter o fluxo prescrito.
A simulação realizada também foi utilizada para encontrar os valores do fluxo de calor
por convecção, por radiação e o coeficiente de convecção nas paredes. A tabela 10 apresenta
os resultados encontrados.
Tabela 10 – Resultado dos cálculos realizados numericamente [Autor].
Localização
Fluxo de calor por Fluxo de calor por Coeficiente
convecção (W/m²)
radiação (W/m²)
de
convecção (W.m².K)
A1
73,27
45,75
3,04
A2
47,92
21,40
2,60
A4
41,71
- 21,00
2,23
A5
44,19
- 33,61
2,73
A6
30,07
- 29,77
2,13
A7
44,17
- 22,38
2,61
A8
51,25
- 30,04
3,34
Cobertura
84,60
94,68
3,02
4.7 Considerações finais
Para realizar a simulação dos efeitos causados pelo fluxo de calor dentro do ambiente
foi necessário utilizar algumas condições de contorno conforme descrito no decorrer do
trabalho. Neste tipo de trabalho quanto mais próximo da realidade pretende-se deixar o
modelo para a simulação, maior é dificuldade, sendo quase que impossível criar um modelo
com todas as condições reais.
Em virtude disso, a comparação entre o ambiente modelado com o ambiente real
apresenta divergências. As principais fontes de erro identificadas no sistema modelado serão
listadas na sequencia.
•
Diferença entre o material de fabricação das paredes e o material de referência
utilizado nos cálculos. Para os cálculos foi utilizada uma taxa de transferência de
calor para tijolo comum, a qual foi considerada a mais próxima possível da
situação real.
48
•
Não foi considerada a radiação e a convecção nos cálculos analíticos para a
obtenção do fluxo de calor nas paredes.
•
A superfície de cobertura foi considerada como sendo o mesmo material das
paredes e foi configurada com as mesmas condições de contorno, o que não
corresponde à realidade.
•
A superfície interna da cobertura é forrada com PVC, porém isso não foi
considerado nos cálculos.
•
Para a temperatura externa foi utilizada a referência de temperatura de bulbo seco
máxima para o verão para a cidade de Porto Alegre [3], sendo que a sala estudada
localiza-se em Panambi, RS, distante cerca de 380 km.
•
As cargas térmicas geradas pelas lâmpadas são difíceis de serem avaliadas, pois
dependem do tempo de utilização, e continuam gerando carga por um tempo após
desligadas.
•
A área das paredes que está em contato com os móveis foi considerada como
termicamente isolada e na situação real isso não acontece.
•
A modelagem da sala não representa fielmente todos os componentes da sala.
Foram consideradas somente as dimensões externas dos principais móveis. O
material do dia a dia, tal como, régua de aferição, trenas, paquímetros, etc. que por
ventura estão sobre a bancada foram desconsiderados.
•
Existem vários métodos de calcular a geração de calor em um ambiente, e é
possível que possam existir divergências entre os resultados.
•
A forma como o sistema é modelado, as condições de contorno que são utilizadas,
e as configurações utilizadas tem interferência no resultado dos cálculos.
49
CONCLUSÃO
A possibilidade de utilizar o computador para simular as reações geradas em um
sistema aumenta de forma significativa as chances de desenvolvimento de um projeto
eficiente.
Porém, para se obter êxito em um cálculo utilizando um programa como o CFX é
extremamente importante ter conhecimento na área e bom senso. As possibilidades durante a
configuração do programa são muito grandes e podem distorcer os resultados encontrados.
Conforme descrito nas considerações finais não foi possível considerar todos os
aspectos que fazem parte do ambiente real nos cálculos analíticos e numéricos. Devido a isso
não é possível comparar os resultados do sistema simulado com o sistema real.
Sendo assim, no trabalho foi priorizado o desenvolvimento dos principais fatores que
influenciam a refrigeração do ambiente e a posterior simulação dos dados adquiridos.
Os cálculos dos fatores que influenciam na refrigeração mostraram que as maiores
variações são causadas pela transferência de calor por condução nas paredes e pela infiltração
e renovação do ar. Estes fatores podem ser melhorados utilizando algum tipo de revestimento
isolante nas paredes, e ou, realizando uma vedação nos pontos de infiltração de ar.
Os cálculos realizados numericamente apresentaram uma variação entre a temperatura
de entrada do ar e a temperatura de saída devido a retirada do calor acumulado no ambiente.
Este resultado já era esperado e valida a metodologia utilizada.
O resultado dos cálculos realizados pelo CFX apresentaram uma tendência do ar frio
que entra na sala ser direcionado para a bancada de aferição. Pode-se perceber que neste
ponto da sala a temperatura é menor que a do restante da sala. Para a situação analisada, esta
condição mantém a temperatura próxima do ideal. Porém pode-se conseguir uma condição
mais homogênea posicionando a entrada de ar do sistema de refrigeração em um ponto mais
centralizado na sala.
Para futuros trabalhos nesta área fica a sugestão de utilizar o CFX para realizar uma
análise do mesmo ambiente considerando pontos diferentes para a entrada de ar. Também
seria interessante considerar as paredes da sala no cálculo para ter uma situação mais próxima
do ambiente real.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1]
STOECKER, W. F. e Jones, J. W.; Refrigeração e Ar Condicionado. Editora
McGraw-Hill; 1985; SP
[2]
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6401:
Instalações Centrais de Ar-Condicionado Para Conforto – Parâmetros
Básicos de Projeto – Rio de Janeiro, 1980.
[3]
FRANK P. Incropera, Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa.
6. edição.-Rio de Janeiro: LTC, 2008.
[4]
BAVARESCO, Adriano Luiz, Estudo de um Túnel de Vento através de
Fluidodinâmica Computacional, Trabalho de Conclusão. Panambi, 2010.
[5]
REFRIGERAÇÃO.NET,
Carga
Térmica.
Disponível
em:
<http://www.refrigeracao.net/Topicos/carga_termica.htm> Acesso em Abril
2012.
[6]
MARTINELLI Jr. L. C., Refrigeração e Ar-Condicioando Parte IV. 1
edição. Editora Unijui – 2000. Ijui – RS
[7]
WYLEN G. J. V. e Sonntag R. E. Termodinâmica Clássica. Tradução da 3°
edição americana. Editora Edgard Blücher Ltda – 1993. São Paulo - SP
[8]
ANVISA, Portaria n° 3.523/GM, de agosto de 1998. Disponível em
<http://www.anvisa.gov.br/legis/portarias/3523_98.htm> Acesso em Junho de
2012.
[9]
ANSYS CFX Introduction. ANSYS CFX Release 11.0.2006 ANSYS Europe.
ANEXO I
Especificações do termômetro utilizado para medição da temperatura na sala estudada.